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The main aim of this work was to obtain an approximate solution of the seismic traveltime tomography problems with the help of splines based on reproducing kernel Sobolev spaces. In order to be able to apply the spline approximation concept to surface wave as well as to body wave tomography problems, the spherical spline approximation concept was extended for the case where the domain of the function to be approximated is an arbitrary compact set in R^n and a finite number of discontinuity points is allowed. We present applications of such spline method to seismic surface wave as well as body wave tomography, and discuss the theoretical and numerical aspects of such applications. Moreover, we run numerous numerical tests that justify the theoretical considerations.
In this paper we construct spline functions based on a reproducing kernel Hilbert space to interpolate/approximate the velocity field of earthquake waves inside the Earth based on traveltime data for an inhomogeneous grid of sources (hypocenters) and receivers (seismic stations). Theoretical aspects including error estimates and convergence results as well as numerical results are demonstrated.
Thermoelasticity represents the fusion of the fields of heat conduction and elasticity in solids and is usually characterized by a twofold coupling. Thermally induced stresses can be determined as well as temperature changes caused by deformations. Studying the mutual influence is subject of thermoelasticity. Usually, heat conduction in solids is based on Fourier’s law which describes a diffusive process. It predicts unnatural infinite transmission speed for parts of local heat pulses. At room temperature, for example, these parts are strongly damped. Thus, in these cases most engineering applications are described satisfactorily by the classical theory. However, in some situations the predictions according to Fourier’s law fail miserable. One of these situations occurs at temperatures near absolute zero, where the phenomenon of second sound1 was discovered in the 20th century. Consequently, non-classical theories experienced great research interest during the recent decades. Throughout this thesis, the expression “non-classical” refers to the fact that the constitutive equation of the heat flux is not based on Fourier’s law. Fourier’s classical theory hypothesizes that the heat flux is proportional to the temperature gradient. A new thermoelastic theory, on the one hand, needs to be consistent with classical thermoelastodynamics and, on the other hand, needs to describe second sound accurately. Hence, during the second half of the last century the traditional parabolic heat equation was replaced by a hyperbolic one. Its coupling with elasticity leads to non-classical thermomechanics which allows the modeling of second sound, provides a passage to the classical theory and additionally overcomes the paradox of infinite wave speed. Although much effort is put into non-classical theories, the thermoelastodynamic community has not yet agreed on one approach and a systematic research is going on worldwide.Computational methods play an important role for solving thermoelastic problems in engineering sciences. Usually this is due to the complex structure of the equations at hand. This thesis aims at establishing a basic theory and numerical treatment of non-classical thermoelasticity (rather than dealing with special cases). The finite element method is already widely accepted in the field of structural solid mechanics and enjoys a growing significance in thermal analyses. This approach resorts to a finite element method in space as well as in time.
The nowadays increasing number of fields where large quantities of data are collected generates an emergent demand for methods for extracting relevant information from huge databases. Amongst the various existing data mining models, decision trees are widely used since they represent a good trade-off between accuracy and interpretability. However, one of their main problems is that they are very instable, which complicates the process of the knowledge discovery because the users are disturbed by the different decision trees generated from almost the same input learning samples. In the current work, binary tree classifiers are analyzed and partially improved. The analysis of tree classifiers goes from their topology from the graph theory point of view to the creation of a new tree classification model by means of combining decision trees and soft comparison operators (Mlynski, 2003) with the purpose to not only overcome the well known instability problem of decision trees, but also in order to confer the ability of dealing with uncertainty. In order to study and compare the structural stability of tree classifiers, we propose an instability coefficient which is based on the notion of Lipschitz continuity and offer a metric to measure the proximity between decision trees. This thesis converges towards its main part with the presentation of our model ``Soft Operators Decision Tree\'\' (SODT). Mainly, we describe its construction, application and the consistency of the mathematical formulation behind this. Finally we show the results of the implementation of SODT and compare numerically the stability and accuracy of a SODT and a crisp DT. The numerical simulations support the stability hypothesis and a smaller tendency to overfitting the training data with SODT than with crisp DT is observed. A further aspect of this inclusion of soft operators is that we choose them in a way so that the resulting goodness function (used by this method) is differentiable and thus allows to calculate the best split points by means of gradient descent methods. The main drawback of SODT is the incorporation of the unpreciseness factor, which increases the complexity of the algorithm.
The provision of quality-of-service (QoS) on the network layer is a major challenge in communication networks. This applies particularly to mobile ad-hoc networks (MANETs) in the area of Ambient Intelligence (AmI), especially with the increasing use of delay and bandwidth sensitive applications. The focus of this survey lies on the classification and analysis of selected QoS routing protocols in the domain of mobile ad-hoc networks. Each protocol is briefly described and assessed, and the results are summarized in multiple tables.
Unternehmen sind heute mit einem globalen Wettbewerb und großen Herausforderungen konfrontiert, wie z. B. kurzen Produktlebenszyklen oder hohen Anforderungen an die Prozess- und Ergebnissicherheit. Verschiedene daten- und technologiegetriebene sowie prozessorientierte Ansätze der Produktionsgestaltung versuchen, Lösungen für Produktionssysteme zu entwickeln, um diese Herausforderungen zu bewältigen und im globalen Wettbewerb bestehen zu können. Jede einzelne Richtung der Produktionsgestaltung weist dabei Vorteile und Defizite auf. Durch „Smart Production Systems“ werden die Grundideen der einzelnen Ansätze, die bisher als unvereinbar galten, zusammengeführt. Dadurch können einzelne Defizite ausgeglichen werden, ohne auf die bekannten Vorteile zu verzichten. Der Grundgedanke von „Smart Production Systems“ ist es, „wissensinkorporierte Objekte“ in Produktionsprozessen einzusetzen, um die Abläufe jederzeit nachvollziehbar und damit das zugehörige Produktionssystem sicher, effizient und flexibel zu gestalten. Wissensinkorporierte Objekte stellen dabei Produktionsobjekte dar, die neben ihrer eigentlichen Funktion informationstechnische Funktionen besitzen, mittels derer sie Daten speichern und wieder bereitstellen können. Der Einsatz wissensinkorporierter Objekte in „Smart Production Systems“ kann mit Hilfe des Konzepts Gestaltungswürfels „Smart Cube“ strukturiert analysiert, geplant, konzeptioniert, bewertet, implementiert, genutzt und gesichert werden. Das Konzept des Gestaltungswürfels „Smart Cube“ wird durch ein Organisations-, ein Referenz-, ein Umsetzungsmodell und mehrere spezifische Anwendungsmodelle beschrieben: 1) Das Organisationsmodell erläutert als Ansatzpunkt von „Smart Production Systems“ die Stellung des Informationsflusses und Materialfluss sowie den Zusammenhang zwischen Datenmenge und Entscheidungsreichweite innerhalb einer Produktionsorganisation. 2) Das Referenzmodell wird aus den drei räumlichen Achsen Wirkungs-, Objekt- und Prozess- sowie Informationsstruktur aufgebaut. Es erfüllt folgende Aufgaben: - Es beschreibt die grundsätzlichen Ausprägungen von Wirkungs-, Objekt- und Prozess- sowie Informationsstrukturen und deren Kombinationsmöglichkeiten innerhalb von Produktionssystemen. - Es erläutert die Zusammenhänge zwischen Technologie-, Logistik- und Kommunikationskomplexität und ermöglicht damit die Einordnung von spezifischen Produktionssystemen in das Referenzmodell. - Mit den verschiedenen Koordinaten der einzelnen Achsen liefert es eine Systematik zur Bezeichnung der verschiedenen möglichen Kombinationen, die es ermöglicht, Anwendungsmodelle aus dem Referenzmodell abzuleiten. 3) Die Anwendungsmodelle konkretisieren das Referenzmodell hinsichtlich der in einem Produktionssystem enthaltenen Objekte und Prozesse. Aufgrund der verschiedenen möglichen Kombinationen der Ausprägungen der einzelnen Strukturen im Referenzmodell lassen sich 27 verschiedene Anwendungsmodelle bilden. 4) Das Umsetzungsmodell beschreibt das Vorgehen bei der Gestaltung von Produktionssystemen mit Hilfe des Gestaltungswürfels „Smart Cube“ . Am Beispiel eines Neugestaltungsprojektes in einem Unternehmen aus der Automobilzulieferindustrie wird gezeigt, wie mit Hilfe des entwickelten Konzeptes Gestaltungswürfel „Smart Cube“ der Einsatz von wissensinkorporierten Objekten systematisch gestaltet werden kann: - Mit der Gestaltung von Kanbankarten zu wissensinkorporierten Objekten kann der manuelle Buchungsaufwand minimiert und der Anteil nicht-wertschöpfender Tätigkeiten klein gehalten werden. - Mit Hilfe des Einsatzes wissensinkorporierter Objekte in einem Fabriksystem können Zielkonflikte zwischen Sicherheit und Effizienz gelöst werden.
Calibration of robots has become a research field of great importance over the last decades especially in the field industrial robotics. The main reason for this is that the field of application was significantly broadened due to an increasing number of fully automated or robot assisted tasks to be performed. Those applications require significantly higher level of accuracy due to more delicate tasks that need to be fulfilled (e.g. assembly in the semiconductor industry or robot assisted medical surgery). In the past, (industrial) robot calibration had to be performed manually for every single robot under lab conditions in a long and cost intensive process. Expensive and complex measurement systems had to be operated by highly trained personnel. The result of this process is a set of measurements representing the robot pose in the task space (i.e. world coordinate system) and as joint encoder values. To determine the deviation, the robot pose indicated by the internal joint encoder values has to be compared to the physical pose (i.e. external measurement data). Hence, the errors in the kinematic model of the robot can be computed and therefore later on compensated. These errors are inevitable and caused by varying manufacturing tolerances and other sources of error (e.g. friction and deflection). They have to be compensated in order to achieve sufficient accuracy for the given tasks. Furthermore for performance, maintenance, or quality assurance reasons the robots may have to undergo the calibration process in constant time intervals to monitor and compensate e.g. ageing effects such as wear and tear. In modern production processes old fashioned procedures like the one mentioned above are no longer suitable. Therefore a new method has to be found that is less time consuming, more cost effective, and involves less (or in the long term even no) human interaction in the calibration process.
Guaranteeing correctness of compilation is a ma jor precondition for correct software. Code generation can be one of the most error-prone tasks in a compiler. One way to achieve trusted compilation is certifying compilation. A certifying compiler generates for each run a proof that it has performed the compilation run correctly. The proof is checked in a separate theorem prover. If the theorem prover is content with the proof, one can be sure that the compiler produced correct code. This paper presents a certifying code generation phase for a compiler translating an intermediate language into assembler code. The time spent for checking the proofs is the bottleneck of certifying compilation. We exhibit an improved framework for certifying compilation and considerable advances to overcome this bottleneck. We compare our implementation featuring the Coq theorem prover to an older implementation. Our current implementation is feasible for medium to large sized programs.
Abstraction is intensively used in the verification of large, complex or infinite-state systems. With abstractions getting more complex it is often difficult to see whether they are valid. However, for using abstraction in model checking it has to be ensured that properties are preserved. In this paper, we use a translation validation approach to verify property preservation of system abstractions. We formulate a correctness criterion based on simulation between concrete and abstract system for a property to be verified. For each distinct run of the abstraction procedure the correctness is verified in the theorem prover Isabelle/HOL. This technique is applied in the verification of embedded adaptive systems. This paper is an extended version a previously published work.
In this thesis we classify simple coherent sheaves on Kodaira fibers of types II, III and IV (cuspidal and tacnode cubic curves and a plane configuration of three concurrent lines). Indecomposable vector bundles on smooth elliptic curves were classified in 1957 by Atiyah. In works of Burban, Drozd and Greuel it was shown that the categories of vector bundles and coherent sheaves on cycles of projective lines are tame. It turns out, that all other degenerations of elliptic curves are vector-bundle-wild. Nevertheless, we prove that the category of coherent sheaves of an arbitrary reduced plane cubic curve, (including the mentioned Kodaira fibers) is brick-tame. The main technical tool of our approach is the representation theory of bocses. Although, this technique was mainly used for purely theoretical purposes, we illustrate its computational potential for investigating tame behavior in wild categories. In particular, it allows to prove that a simple vector bundle on a reduced cubic curve is determined by its rank, multidegree and determinant, generalizing Atiyah's classification. Our approach leads to an interesting class of bocses, which can be wild but are brick-tame.
In this paper, a stochastic model [5] for the turbulent fiber laydown in the industrial production of nonwoven materials is extended by including a moving conveyor belt. In the hydrodynamic limit corresponding to large noise values, the transient and stationary joint probability distributions are determined using the method of multiple scales and the Chapman-Enskog method. Moreover, exponential convergence towards the stationary solution is proven for the reduced problem. For special choices of the industrial parameters, the stochastic limit process is an Ornstein{Uhlenbeck. It is a good approximation of the fiber motion even for moderate noise values. Moreover, as shown by Monte{Carlo simulations, the limiting process can be used to assess the quality of nonwoven materials in the industrial application by determining distributions of functionals of the process.
Embedded systems have become ubiquitous in everyday life, and especially in the automotive industry. New applications challenge their design by introducing a new class of problems that are based on a detailed analysis of the environmental situation. Situation analysis systems rely on models and algorithms of the domain of computational geometry. The basic model is usually an Euclidean plane, which contains polygons to represent the objects of the environment. Usual implementations of computational geometry algorithms cannot be directly used for safety-critical systems. First, a strict analysis of their correctness is indispensable and second, nonfunctional requirements with respect to the limited resources must be considered. This thesis proposes a layered approach to a polygon-processing system. On top of rational numbers, a geometry kernel is formalised at first. Subsequently, geometric primitives form a second layer of abstraction that is used for plane sweep and polygon algorithms. These layers do not only divide the whole system into manageable parts but make it possible to model problems and reason about them at the appropriate level of abstraction. This structure is used for the verification as well as the implementation of the developed polygon-processing library.
This work presents a new framework for Gröbner basis computations with Boolean polynomials. Boolean polynomials can be modeled in a rather simple way, with both coefficients and degree per variable lying in {0, 1}. The ring of Boolean polynomials is, however, not a polynomial ring, but rather the quotient ring of the polynomial ring over the field with two elements modulo the field equations x2 = x for each variable x. Therefore, the usual polynomial data structures seem not to be appropriate for fast Gröbner basis computations. We introduce a specialized data structure for Boolean polynomials based on zero-suppressed binary decision diagrams (ZDDs), which is capable of handling these polynomials more efficiently with respect to memory consumption and also computational speed. Furthermore, we concentrate on high-level algorithmic aspects, taking into account the new data structures as well as structural properties of Boolean polynomials. For example, a new useless-pair criterion for Gröbner basis computations in Boolean rings is introduced. One of the motivations for our work is the growing importance of formal hardware and software verification based on Boolean expressions, which suffer – besides from the complexity of the problems – from the lack of an adequate treatment of arithmetic components. We are convinced that algebraic methods are more suited and we believe that our preliminary implementation shows that Gröbner bases on specific data structures can be capable to handle problems of industrial size.
Given an undirected, connected network G = (V,E) with weights on the edges, the cut basis problem is asking for a maximal number of linear independent cuts such that the sum of the cut weights is minimized. Surprisingly, this problem has not attained as much attention as its graph theoretic counterpart, the cycle basis problem. We consider two versions of the problem, the unconstrained and the fundamental cut basis problem. For the unconstrained case, where the cuts in the basis can be of an arbitrary kind, the problem can be written as a multiterminal network flow problem and is thus solvable in strongly polynomial time. The complexity of this algorithm improves the complexity of the best algorithms for the cycle basis problem, such that it is preferable for cycle basis problems in planar graphs. In contrast, the fundamental cut basis problem, where all cuts in the basis are obtained by deleting an edge, each, from a spanning tree T is shown to be NP-hard. We present heuristics, integer programming formulations and summarize first experiences with numerical tests.
The lattice Boltzmann method (LBM) is a numerical solver for the Navier-Stokes equations, based on an underlying molecular dynamic model. Recently, it has been extended towardsthe simulation of complex fluids. We use the asymptotic expansion technique to investigate the standard scheme, the initialization problem and possible developments towards moving boundary and fluid-structure interaction problems. At the same time, it will be shown how the mathematical analysis can be used to understand and improve the algorithm. First of all, we elaborate the tool "asymptotic analysis", proposing a general formulation of the technique and explaining the methods and the strategy we use for the investigation. A first standard application to the LBM is described, which leads to the approximation of the Navier-Stokes solution starting from the lattice Boltzmann equation. As next, we extend the analysis to investigate origin and dynamics of initial layers. A class of initialization algorithms to generate accurate initial values within the LB framework is described in detail. Starting from existing routines, we will be able to improve the schemes in term of efficiency and accuracy. Then we study the features of a simple moving boundary LBM. In particular, we concentrate on the initialization of new fluid nodes created by the variations of the computational fluid domain. An overview of existing possible choices is presented. Performing a careful analysis of the problem we propose a modified algorithm, which produces satisfactory results. Finally, to set up an LBM for fluid structure interaction, efficient routines to evaluate forces are required. We describe the Momentum Exchange algorithm (MEA). Precise accuracy estimates are derived, and the analysis leads to the construction of an improved method to evaluate the interface stresses. In conclusion, we test the defined code and validate the results of the analysis on several simple benchmarks. From the theoretical point of view, in the thesis we have developed a general formulation of the asymptotic expansion, which is expected to offer a more flexible tool in the investigation of numerical methods. The main practical contribution offered by this work is the detailed analysis of the numerical method. It allows to understand and improve the algorithms, and construct new routines, which can be considered as starting points for future researches.
Stadtentwicklungsplanung erfährt in Mittelstädten im Strukturwandel und Schrumpfungsprozess einen Bedeu-tungszuwachs. Die Renaissance einer umfassenderen integrierten Entwicklungsplanung durch die Programme „Soziale Stadt“ und „Stadtumbau-West“ führt dazu, dass ressortübergreifende Zusammenarbeit innerhalb der Kommunalverwaltung einer Steuerung durch die Stadtentwicklungsplanung bedarf. Die Aufgabe der Erstellung integrativer Konzepte, der Beobachtung von Entwicklungsprozessen, der Schaffung von Ämternetzwerken und besonderer Organisationsformen außerhalb der Hierarchie im Rahmen des Projektmanagements, die Aktivierung der Bürgerschaft und neue Formen der Zusammenarbeit mit wirtschaftlichen Akteuren erfordern eine stärkere Einbeziehung der Stadtentwicklungsplanung in die strategische Verantwortung im Rahmen des Neuen Steuerungsmodells. Schrumpfende Städte bedürfen einer verstärkten Teilhabe aller Bevölkerungsgruppen an einer nachhaltigen Stadtentwicklung. Die kommunale Finanznotlage und ein verstärktes Demokratiebedürfnis führen zu einer Forderung nach einer aktiven Bürgerkommune, die Teilbereiche des öffentlichen Lebens übernimmt. Der Wandel im Selbstverständnis der Verwaltung vom government zur governance ist untrennbar verbunden mit einer verstärkten Einbeziehung der gesellschaftlichen und wirtschaftlichen Akteure in die Stadtentwicklung und führt zu einem neuen Rollenverständnis der Stadtentwicklungsplanung. Die vergangenen Anforderungen der Industriegesellschaft unterscheiden sich von den aktuellen Anforderungen der Dienstleistungs- und Wissensgesellschaft an die städtische Infrastruktur und Gesellschaft. Nachhaltigkeit einer neu zu erarbeitenden Stadtentwicklungsstrategie kann daher nur erzeugt werden, wenn die Änderungsprozesse erfasst und in das Anforderungsprofil der Stadtentwicklung miteinbezogen werden. Zusammen mit den Forderungen nach mehr Partizipation und Kommunikation folgt daraus für die Raumplanung, dass nicht nur ein verantwortungsvoller und handwerklich genauer Einsatz der ingenieurwissenschaftlichen Methoden und Instrumente gefragt ist, sondern auch im verstärkten Maße eine soziale und kommunikative Kompetenz der Planerinnen und Planer gefordert ist. Vor dem Hintergrund der aktuellen Schrumpfungsprozesse und dem Wandel der Industriegesellschaft zur Dienstleistungs- und Wissensgesellschaft wird dem in der wissenschaftlichen Diskussion teilweise in Frage gestellten Leitbild der Europäischen Stadt eine neue Bedeutung zugemessen. Indem die Kernstädte Infrastruktur-leistungen bündeln, ein größeres Angebot für verschiedene Lebensstile zulassen und als Kommunikations- und Knotenpunkt für neue Akteure in der Dienstleistungs- und Wissensgesellschaft dienen, wächst wieder die Be-deutung der Kernstädte im Verhältnis zu den Umlandgemeinden. Zusammenfassend ist festzustellen, dass eine nachhaltige zukunftsorientierte Urban Governance geprägt ist von einer kommunalen Kooperations- und Kommunikationsstruktur, in der Politik, Verwaltung – und hier insbeson-dere die Stadtentwicklungsplanung- gemeinsam mit den Akteuren aus Bürgerschaft und Wirtschaft tragfähige Visionen entwickeln, Ziele und Maßnahmen formulieren und gemeinsam realisieren.
The provision of network Quality-of-Service (network QoS) in wireless (ad-hoc) networks is a major challenge in the development of future communication systems. Before designing and implementing these systems, the network QoS requirements are to be specified. Existing approaches to the specification of network QoS requirements are mainly focused on specific domains or individual system layers. In this paper, we present a holistic, comprehensive formalization of network QoS requirements, across layers. QoS requirements are specified on each layer by defining QoS domain, consisting of QoS performance, reliability, and guarantee, and QoS scalability, with utility and cost functions. Furthermore, we derive preorders on multi-dimensional QoS domains, and present criteria to reduce these domains, leading to a manageable subset of QoS values that is sufficient for system design and implementation. We illustrate our approach by examples from the case study Wireless Video Transmission.
The provision of network Quality-of-Service (network QoS) in wireless (ad-hoc) networks is a major challenge in the development of future communication systems. Before designing and implementing these systems, the network QoS requirements are to be specified. Since QoS functionalities are integrated across layers and hence QoS specifications exist on different system layers, a QoS mapping technique is needed to translate the specifications into each other. In this paper, we formalize the relationship between layers. Based on a comprehensive and holistic formalization of network QoS requirements, we define two kinds of QoS mappings. QoS domain mappings associate QoS domains of two abstraction levels. QoS scalability mappings associate utility and cost functions of two abstraction levels. We illustrate our approach by examples from the case study Wireless Video Transmission.
The performance of oil filters used in the automotive industry can be significantly improved, especially when computer simulation is an essential component of the design process. In this paper, we consider parallel numerical algorithms for solving mathematical models describing the process of filtration, filtering out solid particles from liquid oil. The Navier-Stokes-Brinkmann system of equations is used to describe the laminar flow of incompressible isothermal oil. The space discretization in the complicated filter geometry is based on the finite-volume method. Special care is taken for an accurate approximation of velocity and pressure on the interface between the fluid and the porous media. The time discretization used here is a proper modification of the fractional time step discretization (cf. Chorin scheme) of the Navier-Stokes equations, where the Brinkmann term is considered at both, prediction and correction substeps. A data decomposition method is used to develop a parallel algorithm, where the domain is distributed among processors by using a structured reference grid. The MPI library is used to implement the data communication part of the algorithm. A theoretical model is proposed for the estimation of the complexity of the given parallel algorithm and a scalability analysis is done on the basis of this model. Results of computational experiments are presented, and the accuracy and efficiency of the parallel algorithm is tested on real industrial geometries.
The scope of this diploma thesis is to examine the four generations of asset pricing models and the corresponding volatility dynamics which have been devepoled so far. We proceed as follows: In chapter 1 we give a short repetition of the Black-Scholes first generation model which assumes a constant volatility and we show that volatility should not be modeled as constant by examining statistical data and introducing the notion of implied volatility. In chapter 2, we examine the simplest models that are able to produce smiles or skews - local volatility models. These are called second generation models. Local volatility models model the volatility as a function of the stock price and time. We start with the work of Dupire, show how local volatility models can be calibrated and end with a detailed discussion of the constant elasticity of volatility model. Chapter 3 focuses on the Heston model which represents the class of the stochastic volatility models, which assume that the volatility itself is driven by a stochastic process. These are called third generation models. We introduce the model structure, derive a partial differential pricing equation, give a closed-form solution for European calls by solving this equation and explain how the model is calibrated. The last part of chapter 3 then deals with the limits and the mis-specifications of the Heston model, in particular for recent exotic options like reverse cliquets, Accumulators or Napoleons. In chapter 4 we then introduce the Bergomi forward variance model which is called fourth generation model as a consequence of the limits of the Heston model explained in chapter 3. The Bergomi model is a stochastic local volatility model - the spot price is modeled as a constant elasticity of volatility diffusion and its volatility parameters are functions of the so called forward variances which are specified as stochastic processes. We start with the model specification, derive a partial differential pricing equation, show how the model has to be calibrated and end with pricing examples and a concluding discussion.
In this paper we propose a general approach solution method for the single facility ordered median problem in the plane. All types of weights (non-negative, non-positive, and mixed) are considered. The big triangle small triangle approach is used for the solution. Rigorous and heuristic algorithms are proposed and extensively tested on eight different problems with excellent results.
Mit der Novellierung des Energiewirtschaftsgesetzes im Jahr 2005 wurde die Bundesnetzagentur damit beauftragt, ein Regulierungskonzept für den Energiesektor zu entwickeln. Im Sommer 2006 hat die Regulierungsbehörde einen Entwurf zur Anreizregulierung vorgelegt, der in Form einer Verordnung im Sommer 2007 in Kraft treten wird. Die Anwendung der Anreizregulierung ab dem 1.1.2009 ist ein weiterer Meilenstein auf dem Weg zum angepeilten wettbewerbsorientierten und nachhaltigen Stromsystem. Dieses Ziel wird seit Beginn der Liberalisierung in den 90er Jahren vor allem auf gesamteuropäischer Ebene verfolgt, und Schritt für Schritt auf die nationale Ebene übertragen. Da die Netzentgeltregulierung wie in den meisten europäischen Ländern auch in Deutschland als Anreizregulierung ausgestaltet wird, besteht die Herausforderung darin,in diesem Verfahren die Anreize so zu setzen, dass die Netzbetreiber den angedeuteten Umbau des Stromsystems im eigenen ökonomischen Interesse unterstützen oder ihn zumindest nicht behindern. Ziel dieser Arbeit ist es das Regulierungskonzept der Bundesnetzagentur daraufhin zu untersuchen, welche Anreizstrukturen für Stromnetzbetreiber geschaffen werden. Schließlich ergibt sich aus den Regulierungsanreizen die Bedeutung der Anreizregulierung für dezentrale Stromversorgung. Als Maßstab für den Grad der Zielerreichnung dient das Ideal des gleichberechtigten Spielfeldes, das einen Handlungsrahmen setzt, in dem faire Bedingungen sowohl für dezentrale als auch für zentrale Stromoptionen herrschen.
Software stellt ein komplexes Werkzeug dar, das durch seine umfassenden Möglichkeiten die moderne Gesellschaft entscheidend geprägt hat. Daraus ergibt sich eine Abhängigkeit von Funktion und Fehlfunktion der Software, die eine an den funktionalen Anforderungen orientierte Entwicklung und Qualitätssicherung der Software notwendig macht. Die vorliegende Arbeit schafft durch Formalisierung und Systematisierung der Verfahren im funktionsorientierten Test eine fundierte Basis für eine Hinwendung zu den funktionsorientierten Techniken in Softwareentwicklung und –qualitätssicherung. Hierzu wird in der Arbeit zunächst ein formales Modell für das Vorgehen im dynamischen Test beschrieben, das sich an der Begriffsbildung der Literatur und dem Verständnis der Praxis orientiert. Das Modell beruht auf wenigen zentralen Annahmen, eignet sich für formale Untersuchungen und Nachweise und ist wegen seiner sehr allgemein gehaltenen Definitionen breit anwendbar und einfach erweiterbar. Auf dieser Basis werden Vorgehen und Verfahren zum funktionsorientierten Test analysiert. Zunächst wird dazu das Vorgehen im funktionsorientierten Test im Rahmen des Modells dargestellt. Darauf aufbauend werden zentrale Verfahren des funktionsorientierten Tests analysiert, die zum Gegenstand die systematische Prüfung der Umsetzung von weitgehend informal beschriebenen Anforderungen in einem Softwareprodukt haben. Betrachtet werden Verfahren der funktionalen Partitionierung, der funktionalen Äquivalenzklassenanalyse und Grenzwertbildung, Verfahren zur Prüfung von kausalen Zusammenhängen zwischen Ursachen und Wirkungen, Verfahren zur Prüfung von graphisch spezifizierter Funktionalität in Syntaxdiagrammen, Aktivitätsdiagrammen, Sequenz- und Kollaborationsdiagrammen und Petrinetzen, Verfahren zum Test zustandsbasierter Systeme sowie Ansätze einer funktionalen Dekomposition. Die Analyse und Diskussion der bekannten Verfahren im formalisierten Rahmenwerk führt zu zahlreichen Ergebnissen und Verfahrensergänzungen. So zeigt sich, dass in den klassischen, informalen Beschreibungen häufig Unklarheiten bestehen. Diese werden hier adressiert und durch Angabe von Kriterien präzisiert, Optimierungsmöglichkeiten werden aufgezeigt. Darüber hinaus wird an der einheitlichen formalen Darstellung der in der Literatur meist separat betrachteten Verfahren deutlich, welche Vergleichbarkeit zwischen den Verfahren besteht, welche Verfahrenskombinationen sinnvoll sind und wie durch ein kombiniert funktions- und strukturorientiertes Vorgehen eine hohe Aussagekraft in der analytischen Qualitätssicherung erreicht werden kann. Bei der Formulierung der Verfahren im Rahmen des Modells wird herausgearbeitet, wo zur Verfahrensdurchführung die kreative Leistung des Testers notwendig ist und welche Anteile formalisiert und damit automatisiert unterstützt werden können. Diese Betrachtungen bilden die Grundlage für die Skizzierung einer integrierten Entwicklungsumgebung, in der ein funktionsorientiertes Vorgehen in Entwicklung und Qualitätssicherung umgesetzt wird: Hier helfen funktionsorientierte Beschreibungsformen bei der Angabe der Spezifikation, ihrer Verfeinerung und ihrer Vervollständigung, sie unterstützen die Entwicklung durch Modellbildung, sie liefern die Basis für eine funktionsorientierte Testdatenselektion mit Adäquatheitsprüfung, sie können bei geeigneter Interpretierbarkeit über den Datenbereichen zur automatisierten Testfallgenerierung genutzt werden und unterstützen als suboptimale Testorakel eine automatisierte Auswertung des dynamischen Tests. Diese Skizze zeigt die praktische Umsetzbarkeit der vorwiegend theoretischen Ergebnisse dieser Arbeit und setzt einen Impuls für ein verstärktes Aufgreifen funktionsorientierter Techniken in Wissenschaft und Praxis.
While in classical scheduling theory the locations of machines are assumed to be fixed we will show how to tackle location and scheduling problems simultaneously. Obviously, this integrated approach enhances the modeling power of scheduling for various real-life problems. In this paper, we present in an exemplary way theory and a solution algorithm for a specific type of a scheduling and a rather general, planar location problem, respectively. More general results and a report on numerical tests will be presented in a subsequent paper.
Two-level domain decomposition preconditioner for 3D flows in anisotropic highly heterogeneous porous media is presented. Accurate finite volume discretization based on multipoint flux approximation (MPFA) for 3D pressure equation is employed to account for the jump discontinuities of full permeability tensors. DD/MG type preconditioner for above mentioned problem is developed. Coarse scale operator is obtained from a homogenization type procedure. The influence of the overlapping as well as the influence of the smoother and cell problem formulation is studied. Results from numerical experiments are presented and discussed.
An efficient approach for calculating the effective heat conductivity for a class of industrial composite materials, such as metal foams, fibrous glass materials, and the like, is discussed. These materials, used in insulation or in advanced heat exchangers, are characterized by a low volume fraction of the highly conductive material (glass or metal) having a complex, network-like structure and by a large volume fraction of the insulator (air). We assume that the composite materials have constant macroscopic thermal conductivity tensors, which in principle can be obtained by standard up-scaling techniques, that use the concept of representative elementary volumes (REV), i.e. the effective heat conductivities of composite media can be computed by post-processing the solutions of some special cell problems for REVs. We propose, theoretically justify, and numerically study an efficient approach for calculating the effective conductivity for media for which the ratio of low and high conductivities satisfies 1. In this case one essentially only needs to solve the heat equation in the region occupied by the highly conductive media. For a class of problems we show, that under certain conditions on the microscale geometry, the proposed approach produces an upscaled conductivity that is O() close to the exact upscaled permeability. A number of numerical experiments are presented in order to illustrate the accuracy and the limitations of the proposed method. Applicability of the presented approach to upscaling other similar problems, e.g. flow in fractured porous media, is also discussed.
Wässrige Lösungen sowohl neutraler als auch ionischer Polymerer gewinnen ein zunehmendes Interesse in vielen Bereichen. Für den Einsatz solcher Systeme muss deren Phasenverhalten bekannt sein. Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag zum Phasengleichgewicht solcher Systeme. Als Bausteine der Polymere werden dabei sowohl die neutrale organischen Komponente Vinylpyrrolidon (VP) als auch ein ionisches Monomer auf Basis von Imidazolium (3-Methyl-1-vinyl-1H-Imidazoliummethylsulfat - QVI), als niedrigmolekularer Elektrolyt ausschließlich Natriumsulfat verwendet. Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel, das Phasenverhalten einer Reihe technisch interessierender Systeme in experimentellen Untersuchungen bei 25 und 65°C zu bestimmen und damit eine Datenbasis für theoretische Arbeiten zu liefern, die im Anschluss an diese Untersuchungen im Zusammenhang mit der Entwicklung von Modellen zur Korrelation bzw. Vorhersage solcher Phasengleichgewichte vorgesehen sind. Die Grenze zwischen einem einphasigen, flüssigen Bereich und Zwei- bzw. Drei-Phasen-Gebieten wurde durch visuelle Bestimmung der Trübung bei der Titration einer wässrigen Lösung (entweder des Polymeren oder des Salzes) bestimmt. Die Zusammensetzung der koexistierenden Phasen wurde in Phasengleichgewichtsexperimenten bestimmt, bei denen Proben der koexistierenden Phasen analysiert wurden. Dazu wurden mehrere Analysenmethoden entwickelt/erprobt (z. B. die Gefriertrocknung, die thermische (gravimetrische) Analyse, die Gaschromatographie und die Ionenchromatographie). Insgesamt wurden für 42 Systeme der Verlauf der Trübungskurve und für 34 Systeme das Phasengleichgewicht bestimmt. Dabei handelte es sich überwiegend um ternäre Systeme aus einem Polymeren (auf Basis von VP und/bzw. QVI), Natriumsulfat und Wasser, teilweise auch um quaternäre Systeme aus den zuvor erwähnten Komponenten und einem der Monomeren (VP bzw. QVI). Dabei zeigte die Mehrzahl der untersuchten Systeme eine flüssig-flüssig Entmischung, teilweise jedoch auch nur die häufiger anzutreffenden Fest-Flüssig-Phasengleichgewichte (z.B. Ausfall eines Salzes als Feststoff). Die experimentellen Untersuchungen wurden insbesondere bei hohen Polymerkonzentrationen durch die Zähigkeit der wässrigen Lösungen erschwert. Neben den Untersuchungen zum Phasengleichgewicht in ternären und quaternären Systemen wurden im Hinblick auf die in weiterführenden Arbeiten geplanten Modellierungsarbeiten auch experimentelle Untersuchungen an binären Subsystemen durchgeführt. Dabei handelte es sich ausschließlich um sogenannte isopiestische Messungen an wässrigen Lösungen der Polymere bzw. der Monomere. In solchen Untersuchungen wird der Einfluss der Wechselwirkungen zwischen den Molekülen eines in Wasser gelösten Stoffes auf den Dampfdruck der Lösung bestimmt. Der dabei quantitativ bestimmte Einfluss von Art und Menge des Polymeren auf den Dampfdrucks des Lösungsmittels soll in weiterführenden Arbeiten zur Bestimmung von Parametern thermodynamischer Modelle zur Beschreibung der Gibbsschen Exzessenergie wässriger Polymerlösungen verwendet werden. Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen zum Flüssig-Flüssig bzw. Fest-Flüssig-Phasengleichgewicht lassen sich folgendermaßen charakterisieren: In fast allen Systemen mit Polymeren auf Basis von Vinylpyrrolidon wurden Flüssig-Flüssig-Gleichgewichte mit einer salzreichen, nahezu polymerfreien wässrigen Phase und einer polymerreichen wässrigen auch salzhaltigen flüssigen Phase gefunden. D. h. in einem Gibbsschen Dreiecksdiagramm, in dem die Zusammensetzung einer ternären Mischung (mit Hilfe des Konzentrationsmaßes „Massenanteil“ ausgedrückt) durch einen Punkt dargestellt wird zeigt die Phasengrenze zwischen dem einphasigen und dem mehrphasigen Gebiet eine starke Asymmetrie. Der Wassergehalt der polymerreichen Phase ist dabei häufig deutlich geringer als der Wassergehalt der salzreichen Phase. In Systemen mit (Natriumsulfat und) Polymeren auf Basis des Imidazoliumsalzes QVI wurden dagegen überwiegend Fest-Flüssig-Gleichgewichte beobachtet. Es zeigte sich, dass die Molmasse der verwendeten Polymere nur einen vergleichsweise geringen Einfluss auf die Ausdehnung des einphasigen flüssigen Gebietes hat. I. d. R. nimmt mit steigender Molmasse die Ausdehnung der Mischungslücke zu. Auch der Temperatureinfluss auf die beobachteten Phasengleichgewichte ist relativ gering. Dies war im Fall der Polymere auf Basis von Vinylpyrrolidon aus früheren Untersuchungen an wässrigen, salzfreien Lösungen dieser Polymere zu erwarten. Wie schon erwähnt, sind die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit im Zusammenhang mit dem Einsatz solcher polymer- und salzhaltigen Systeme in verschiedenen Bereichen von Interesse. Sie bilden aber auch die Datenbasis für anstehende theoretische Arbeiten, die sich mit der Entwicklung thermodynamischer Modelle zur Beschreibung von Phasengleich- gewichten salz- und polymerhaltiger, wässriger Systeme beschäftigen werden.
This paper deals with the problem of determining the sea surface topography from geostrophic flow of ocean currents on local domains of the spherical Earth. In mathematical context the problem amounts to the solution of a spherical differential equation relating the surface curl gradient of a scalar field (sea surface topography) to a surface divergence-free vector field(geostrophic ocean flow). At first, a continuous solution theory is presented in the framework of an integral formula involving Green’s function of the spherical Beltrami operator. Different criteria derived from spherical vector analysis are given to investigate uniqueness. Second, for practical applications Green’s function is replaced by a regularized counterpart. The solution is obtained by a convolution of the flow field with a scaled version of the regularized Green function. Calculating locally without boundary correction would lead to errors near the boundary. To avoid these Gibbs phenomenona we additionally consider the boundary integral of the corresponding region on the sphere which occurs in the integral formula of the solution. For reasons of simplicity we discuss a spherical cap first, that means we consider a continuously differentiable (regular) boundary curve. In a second step we concentrate on a more complicated domain with a non continuously differentiable boundary curve, namely a rectangular region. It will turn out that the boundary integral provides a major part for stabilizing and reconstructing the approximation of the solution in our multiscale procedure.
Von sicherheitsrelevanten Bauteilen im Automobilbau verlangt man, dass beim Kunden bis zur Zeit/Strecke q0 höchstens ein Anteil p0 ausgefallen ist. Die Verifikation dieses Quantils geschieht in einer Reihe von Versuchen, bei denen die Bauteile mit einer typischen Kraft zyklisch belastet werden, bis ein gewisses, im Vorfeld festgelegtes, Schadensbild auftritt und die Anzahl Ti der Zyklen („Schwingspiele“) als Lebensdauer notiert wird. Typischerweise ist der Stichprobenumfang N dabei sehr gering (N < 10), während gleichzeitig ein extremes Quantil 0 p0 0, 1 verifiziert werden soll. Verwendet man als Lebensdauerverteilung eine Weibulloder Lognormalverteilung, so tritt in den Quantilschätzern ein deutlicher Bias auf, der beseitigt werden soll. Da es sich hierbei in der Regel um einen positiven Bias handelt, würde man Bauteile als serientauglich einstufen, obwohl sie möglicherweise deutlich unter den Vorgaben liegen. Die Berechnung von Konfidenzintervallen für Quantile geschieht über Delta-Methoden, die ebenfalls schlechte Resultate liefern (in Form einer zu geringen empirischen Signifikanz linksseiter Intervalle). Im Folgenden werden Verallgemeinerungen der Bootstrap- und Jackknife- Biaskorrektur vorgestellt, welche nicht nur versuchen den Bias zu beseitigen, sondern direkt den mittleren quadratischen Fehler des Schätzers weitestgehend zu reduzieren. Simulationsstudien zeigen, dass dies für geringe Stichprobenumfänge gelingt. Außerdem wird untersucht, inwiefern die Methode in Kombination mit der Bootstrap-Quantil-Methode einen verbesserten Intervallschätzer für Quantile liefert. Dabei werden simulierte Daten betrachtet, deren Parameter repräsentativ für Lebensdauerverteilungen von sicherheitsrelevanten Bauteilen sind.
In this expository article, we give an introduction into the basics of bootstrap tests in general. We discuss the residual-based and the wild bootstrap for regression models suitable for applications in signal and image analysis. As an illustration of the general idea, we consider a particular test for detecting differences between two noisy signals or images which also works for noise with variable variance. The test statistic is essentially the integrated squared difference between the signals after denoising them by local smoothing. Determining its quantile, which marks the boundary between accepting and rejecting the hypothesis of equal signals, is hardly possible by standard asymptotic methods whereas the bootstrap works well. Applied to the rows and columns of images, the resulting algorithm not only allows for the detection of defects but also for the characterization of their location and shape in surface inspection problems.
We consider the problem of estimating the conditional quantile of a time series at time \(t\) given observations of the same and perhaps other time series available at time \(t-1\). We discuss sieve estimates which are a nonparametric versions of the Koenker-Bassett regression quantiles and do not require the specification of the innovation law. We prove consistency of those estimates and illustrate their good performance for light- and heavy-tailed distributions of the innovations with a small simulation study. As an economic application, we use the estimates for calculating the value at risk of some stock price series.
In this paper we consider a CHARME Model, a class of generalized mixture of nonlinear nonparametric AR-ARCH time series. We apply the theory of Markov models to derive asymptotic stability of this model. Indeed, the goal is to provide some sets of conditions under which our model is geometric ergodic and therefore satisfies some mixing conditions. This result can be considered as the basis toward an asymptotic theory for our model.
We derive some asymptotics for a new approach to curve estimation proposed by Mr'{a}zek et al. cite{MWB06} which combines localization and regularization. This methodology has been considered as the basis of a unified framework covering various different smoothing methods in the analogous two-dimensional problem of image denoising. As a first step for understanding this approach theoretically, we restrict our discussion here to the least-squares distance where we have explicit formulas for the function estimates and where we can derive a rather complete asymptotic theory from known results for the Priestley-Chao curve estimate. In this paper, we consider only the case where the bias dominates the mean-square error. Other situations are dealt with in subsequent papers.
As a first approximation the Earth is a sphere; as a second approximation it may be considered an ellipsoid of revolution. The deviations of the actual Earth's gravity field from the ellipsoidal 'normal' field are so small that they can be understood to be linear. The splitting of the Earth's gravity field into a 'normal' and a remaining small 'disturbing' field considerably simplifies the problem of its determination. Under the assumption of an ellipsoidal Earth model high observational accuracy is achievable only if the deviation (deflection of the vertical) of the physical plumb line, to which measurements refer, from the ellipsoidal normal is not ignored. Hence, the determination of the disturbing potential from known deflections of the vertical is a central problem of physical geodesy. In this paper we propose a new, well-promising method for modelling the disturbing potential locally from the deflections of the vertical. Essential tools are integral formulae on the sphere based on Green's function of the Beltrami operator. The determination of the disturbing potential from deflections of the vertical is formulated as a multiscale procedure involving scale-dependent regularized versions of the surface gradient of the Green function. The modelling process is based on a multiscale framework by use of locally supported surface curl-free vector wavelets.
In der vorliegenden Arbeit werden Sekundärstrukturmotive von isolierten Peptiden und Peptid-Aggregaten in der Gasphase analysiert. Zur Untersuchung ihrer intrinsischen Eigenschaften werden die isolierten Peptide durch adiabatische Abkühlung in Molekularstrahlen erzeugt. Durch die Anwendung hochsensitiver Techniken der Doppelresonanzspektroskopie, Resonante zwei Photonen Ionisation (R2PI) und Infrarot/Resonante zwei Photonen Ionisation (IR/R2PI), werden die Peptide und Peptid-Aggregate hinsichtlich ihrer Elektronen – und Schwingungsübergängen analysiert. Die Schwingungsfrequenzen im Bereich der Amid A, I, II Moden und im oberen „Fingerprintbereich“ von Peptiden sind sehr signifikant für die Geometrie des Rückgrates und der Seitenketten, z.B. unterscheiden sich Schwingungen von Gruppen, die an Wasserstoffbrückenbindungen beteiligt sind, sehr stark durch ihre Lage und Intensität gegenüber Schwingungen von frei vorliegenden Gruppen. Ein Vergleich mit berechneten Schwingungsfrequenzen aus ab initio und Dichtefunktionaltheorie Rechnungen ermöglicht eine Zuordnung zu einer bestimmten Struktur. Es werden in dieser Arbeit verschiedene Sekundärstrukturen über die Analyse von geschützten Aminosäuren, Di- und Tripeptiden untersucht. Insbesondere gelang es erstmals, ein ß-Faltblattmodellsystem für ein isoliertes Dimer eines Peptids nachzuweisen. Weiterhin werden zum molekularen Verständnis der Mikrosolvatation Aggregate mit Wassermolekülen betrachtet und somit der Einfluss auf die Sekundärstruktur durch sukzessive Aggregation von Wassermolekülen analysiert. In Kooperation mit Prof. Schrader (Universität Duisburg-Essen) werden Templatmoleküle charakterisiert, um ihre Fähigkeiten zur Anlagerung an schädliche ß-Faltblattstrukturen zu untersuchen, die in sogenannten neurodegenerativen Krankheiten häufig auftreten. Die Effizienz ist sowohl über die Analyse der Zahl und Stärke der inter- und intramolekularen Wasserstoffbrückenbindungen als auch über die gebildete Clusterstruktur untersucht worden.
In this article a new data-adaptive method for smoothing of bivariate functions is developed. The smoothing is done by kernel regression with rotational invariant bivariate kernels. Two or three local bandwidth parameters are chosen automatically by a two-step plug-in approach. The algorithm starts with small global bandwidth parameters, which adapt during a few iterations to the noisy image. In the next step local bandwidths are estimated. Some general asymptotic results about Gasser-Müller-estimators and optimal bandwidth selection are given. The derived local bandwidth estimators converge and are asymptotically normal.
The visualization of numerical fluid flow datasets is essential to the engineering processes that motivate their computational simulation. To address the need for visual representations that convey meaningful relations and enable a deep understanding of flow structures, the discipline of Flow Visualization has produced many methods and schemes that are tailored to a variety of visualization tasks. The ever increasing complexity of modern flow simulations, however, puts an enormous demand on these methods. The study of vortex breakdown, for example, which is a highly transient and inherently three-dimensional flow pattern with substantial impact wherever it appears, has driven current techniques to their limits. In this thesis, we propose several novel visualization methods that significantly advance the state of the art in the visualization of complex flow structures. First, we propose a novel scheme for the construction of stream surfaces from the trajectories of particles embedded in a flow. These surfaces are extremely useful since they naturally exploit coherence between neighboring trajectories and are highly illustrative in nature. We overcome the limitations of existing stream surface algorithms that yield poor results in complex flows, and show how the resulting surfaces can be used a building blocks for advanced flow visualization techniques. Moreover, we present a visualization method that is based on moving section planes that travel through a dataset and sample the flow. By considering the changes to the flow topology on the plane as it moves, we obtain a method of visualizing topological structures in three-dimensional flows that are not accessible by conventional topological methods. On the same algorithmic basis, we construct an algorithm for the tracking of critical points in such flows, thereby enabling the treatment of time-dependent datasets. Last, we address some problems with the recently introduced Lagrangian techniques. While conceptually elegant and generally applicable, they suffer from an enormous computational cost that we significantly use by developing an adaptive approximation algorithm. This allows the application of such methods on very large and complex numerical simulations. Throughout this thesis, we will be concerned with flow visualization aspect of general practical significance but we will particularly emphasize the remarkably challenging visualization of the vortex breakdown phenomenon.
In this paper, a new mixed integer mathematical programme is proposed for the application of Hub Location Problems (HLP) in public transport planning. This model is among the few existing ones for this application. Some classes of valid inequalities are proposed yielding a very tight model. To solve instances of this problem where existing standard solvers fail, two approaches are proposed. The first one is an exact accelerated Benders decomposition algorithm and the latter a greedy neighborhood search. The computational results substantiate the superiority of our solution approaches to existing standard MIP solvers like CPLEX, both in terms of computational time and problem instance size that can be solved. The greedy neighborhood search heuristic is shown to be extremely efficient.
Modelling languages are important in the process of software development. The suitability of a modelling language for a project depends on its applicability to the target domain. Here, domain-specific languages have an advantage over more general modelling languages. On the other hand, modelling languages like the Unified Modeling Language can be used in a wide range of domains, which supports the reuse of development knowledge between projects. This thesis treats the syntactical and semantical harmonisation of modelling languages and their combined use, and the handling of complexity of modelling languages by providing language subsets - called language profiles - with tailor-made formal semantics definitions, generated by a profile tool. We focus on the widely-used modelling languages SDL and UML, and formal semantics definitions specified using Abstract State Machines.
Die Architekturen vieler technischer Systeme sind derzeit im Umbruch. Der fortschreitende Einsatz von Netzwerken aus intelligenten rechnenden Knoten führt zu neuen Anforderungen an den Entwurf und die Analyse der resultierenden Systeme. Dabei spielt die Analyse des Zeitverhaltens mit seinen Bezügen zu Sicherheit und Performanz eine zentrale Rolle. Netzbasierte Automatisierungssysteme (NAS) unterscheiden sich hierbei von anderen verteilten Echtzeitsystemen durch ihr zyklisches Komponentenverhalten. Das aus der asynchronen Verknüpfung entstehende Gesamtverhalten ist mit klassischen Methoden kaum analysierbar. Zur Analyse von NAS wird deshalb der Einsatz der wahrscheinlichkeitsbasierten Modellverifikation (PMC) vorgeschlagen. PMC erlaubt detaillierte, quantitative Aussagen über das Systemverhalten. Für die dazu notwendige Modellierung des Systems auf Basis wahrscheinlichkeitsbasierter, zeitbewerteter Automaten wird die Beschreibungssprache DesLaNAS eingeführt. Exemplarisch werden der Einfluss verschiedener Komponenten und Verhaltensmodi auf die Antwortzeit eines NAS untersucht und die Ergebnisse mittels Labormessungen validiert.
Die fortschreitende Verbreitung von Ethernet-basierten Strukturen mit dezentralen und verteilten Anwendungen in der Automatisierung führt zu den so genannten netzbasier-ten Automatisierungssystemen (NAS). Diese sind zwar in Anschaffung und Betrieb kostengünstiger, moderner und flexibler als herkömmliche Strukturen, weisen jedoch nicht-deterministische Verzögerungen auf. Die genaue Analyse der resultierenden Antwortzeiten ist somit nicht nur Voraussetzung für den verantwortungsbewussten Einsatz dieser Technologie sondern ermöglicht es auch, bereits im Vorfeld von Umstrukturierungen oder Erweiterungen, Fragen der Verlässlichkeit zu klären. In diesem ersten von zwei Beiträgen wird hierfür zunächst die für die speziellen Bedürfnisse der Strukturbeschreibung von netzbasierten Automatisierungssystemen entwickelte Modellierungssprache DesLaNAS vorgestellt und auf ein einführendes Beispiel angewendet. Im zweiten Beitrag wird darauf aufbauend gezeigt, welchen Einfluss die einzelnen System-komponenten (SPS, Netzwerk, I/O-Karten) sowie netzbedingte Verhaltensmodi wie Synchronisation und die gemeinsame Nutzung von Ressourcen auf die Antwortzeiten des Gesamtsystems haben. Zur Analyse selbst wird die wahrscheinlichkeitsbasierte Modellverifikation (PMC) angewendet.
Netzbasierte Automatisierungssysteme (NAS) sind das Ergebnis der zunehmenden Dezentralisierung von Automatisierungssystemen mittels neuerer Netzwerkstrukturen. Eine ganze Fülle von Einflussfaktoren führt jedoch zu einem Spektrum von nicht-deterministischen Verzögerungen, die direkten Einfluss auf Qualität, Sicherheit und Zuverlässigkeit der Automatisierungsanlagen haben. Eine genaue Analyse dieser Einflussfaktoren ist somit nicht nur Voraussetzung für den verantwortungsbewussten Einsatz dieser Technologie sondern ermöglicht es auch, bereits im Vorfeld von Umstrukturierungen oder Erweiterungen Fragen der Verlässlichkeit zu klären. In diesem Beitrag wird gezeigt, welchen Einfluss einzelne Komponenten sowie netzbedingte Verhaltensmodi wie Synchronisation und die gemeinsame Nutzung von Ressourcen auf die Antwortzeiten des Gesamtsystems haben. Zur Analyse wird die wahrscheinlichkeitsbasierte Modellverifikation (PMC) verwendet. Umfangreiche Messungen wurden zur Validierung der Ergebnisse durchgeführt.
In this dissertation we present analysis of macroscopic models for slow dense granular flow. Models are derived from plasticity theory with yield condition and flow rule. Corner stone equations are conservation of mass and conservation of momentum with special constitutive law. Such models are considered in the class of generalised Newtonian fluids, where viscosity depends on the pressure and modulo of the strain-rate tensor. We showed the hyperbolic nature for the evolutionary model in 1D and ill-posed behaviour for 2D and 3D. The steady state equations are always hyperbolic. In the 2D problem we derived a prototype nonlinear backward parabolic equation for the velocity and the similar equation for the shear-rate. Analysis of derived PDE showed the finite blow up time. Blow up time depends on the initial condition. Full 2D and antiplane 3D model were investigated numerically with finite element method. For 2D model we showed the presence of boundary layers. Antiplane 3D model was investigated with the Runge Kutta Discontinuous Galerkin method with mesh addoption. Numerical results confirmed that such a numerical method can be a good choice for the simulations of the slow dense granular flow.
Abstract. The stationary, isothermal rotational spinning process of fibers is considered. The investigations are concerned with the case of large Reynolds (± = 3/Re ¿ 1) and small Rossby numbers (\\\" ¿ 1). Modelling the fibers as a Newtonian fluid and applying slender body approximations, the process is described by a two–point boundary value problem of ODEs. The involved quantities are the coordinates of the fiber’s centerline, the fluid velocity and viscous stress. The inviscid case ± = 0 is discussed as a reference case. For the viscous case ± > 0 numerical simulations are carried out. Transfering some properties of the inviscid limit to the viscous case, analytical bounds for the initial viscous stress of the fiber are obtained. A good agreement with the numerical results is found. These bounds give strong evidence, that for ± > 3\\\"2 no physical relevant solution can exist. A possible interpretation of the above coupling of ± and \\\" related to the die–swell phenomenon is given.
Given a directed graph G = (N,A) with arc capacities u and a minimum cost flow problem defined on G, the capacity inverse minimum cost flow problem is to find a new capacity vector u' for the arc set A such that a given feasible flow x' is optimal with respect to the modified capacities. Among all capacity vectors u' satisfying this condition, we would like to find one with minimum ||u' - u|| value. We consider two distance measures for ||u' - u||, rectilinear and Chebyshev distances. By reduction from the feedback arc set problem we show that the capacity inverse minimum cost flow problem is NP-hard in the rectilinear case. On the other hand, it is polynomially solvable by a greedy algorithm for the Chebyshev norm. In the latter case we propose a heuristic for the bicriteria problem, where we minimize among all optimal solutions the number of affected arcs. We also present computational results for this heuristic.
Bringing robustness to patient flow management through optimized patient transports in hospitals
(2007)
Intra-hospital transports are often required for diagnostic or therapeutic reasons. Depending on the hospital layout, transportation between nursing wards and service units is either provided by ambulances or by trained personnel who accompany patients on foot. In many large German hospitals, the patient transport service is poorly managed and lacks workflow coordination. This contributes to higher hospital costs (e.g. when a patient is not delivered to the operating room on time) and to patient inconvenience due to longer waiting times. We have designed a computer-based planning system - Opti-TRANS c - that supports all phases of the transportation flow, ranging from travel booking, dispatching transport requests to monitoring and reporting trips in real-time. The methodology developed to solve the underlying optimization problem - a dynamic dial-a-ride problem with hospital-specific constraints - draws on fast heuristic methods to ensure the efficient and timely provision of transports. We illustrate the strong impact of Opti-TRANS c on the daily performance of the patient transportation service of a large German hospital. The major benefits obtained with the new tool include streamlined transportation processes and workflow, significant savings and improved patient satisfaction. Moreover, the new planning system has contributed to increase awareness among hospital staff about the importance of implementing efficient logistics practices.
With the ever-increasing significance of software in our everyday lives, it is vital to afford reliable software quality estimates. Typically, quantitative software quality analyses rely on either statistical fault prediction methods (FPMs) or stochastic software reliability growth models (SRGMs). Adopting solely FPMs or SRGMs, though, may result in biased predictions that do not account for uncertainty in the distinct prediction methods; thus rendering the prediction less reliable. This paper identifies flaws of the individual prediction methods and suggests a hybrid prediction approach that combines FPMs and SRGMs. We adopt FPMs for initially estimating the expected number of failures for fi- nite failure SRGMs. Initial parameter estimates yield more accurate reliability predictions until sufficient failures are observed that enable stable parameter estimates in SRGMs. Being at the equilibrium level of FPM and SRGM pre- dictions we suggest combining the competing prediction methods with respect to the principle of heterogeneous redundancy. That is, we propose using the in- dividual methods separately and combining their predictions. In this paper we suggest Bayesian model averaging (BMA) for combining the different methods. The hybrid approach allows early reliability estimates and encourages higher confidence in software quality predictions.
Ziel der vorliegenden Arbeit war die Synthese und Charakterisierung fluoreszenzmarkierter Pyrrolin-N-oxide sowie von Stilbennitronen. Diese Verbindungen sind aufgrund ihrer chemischen Struktur zum Abfangen kurzlebiger Radikale befähigt, wobei sie selbst zu einem langlebigen Radikal-Addukt reagieren. Diese Methode ist unter dem Namen „Spin-Trapping“ bekannt und wird bevorzugt zum Nachweis reaktiver Sauerstoffspezies in biologischen Systemen eingesetzt. Zu diesem Zweck wurde zunächst die Synthese der Spin-Trap EMPO etabliert und versucht, diese durch Umesterung mit einem Fluoreszenzfarbstoff zu markieren. Da dieser Syntheseweg erfolglos blieb, wurden die neuen Spin-Trap-Verbindungen BocAEMPO, AEMPO, BocEAEMPO und EAEMPO synthetisiert. Versuche zur Umsetzung dieser Verbindungen mit einer Reihe von Fluoreszenzfarbstoffen verliefen jedoch ebenfalls ohne Erfolg. Ursache hierfür ist die ausgeprägte Reaktivität der zum Spin-Trapping benötigten Nitron-Gruppe. Die hierzu benötigten NBD- und BODIPY-Farbstoffderivate wurden ebenfalls selbst synthetisiert. Weiterhin wurden Versuche zur Direktsynthese einer fluoreszenzmarkierten Spin-Trap unternommen. Ziel war hierbei, vor dem Erzeugen der Nitron-Gruppe bereits ein Fluorophor im Molekül einzubauen. Diese Versuche scheiterten jedoch an der Empfindlichkeit der verwendeten Farbstoffe. In einem Fall konnte zwar ein BODIPY-System erfolgreich unter den Bedingungen der Nitronsynthese erhalten werden, jedoch war das erhaltene Produkt nicht eindeutig charakterisierbar. Weiterhin wurde die Synthese von DEPMPO etabliert und erste Versuche zur Modifikation dieser Spin-Trap unternommen. Die neu synthetisierten Spin-Traps wurden mit sechs verschiedenen Radikalen zu ihren Addukten umgesetzt und durch ESR-Spektroskopie charakterisiert. Aus den durchgeführten Kinetikmessungen wurden die Zerfallskonstanten und die Halbwertszeiten der Spin-Addukte bestimmt. In einem weiteren Teil dieser Arbeit wurden Stilbennitrone hergestellt. Hierbei wurde die Synthese von Stilbenaldehyd-Derivaten mittels Heck-Reaktionen etabliert und im Anschluss drei verschiedenen Stilbennitrone synthetisiert. Diese wurden sowohl ESR- als auch UV- und Fluoreszenz-spektroskopisch charakterisiert. Mit der Verbindung Nitrostilbennitron wurden erste Versuche zum Fluoreszenzquenching und zur Inkubation von COS7-Zellen unternommen. Bei den Quenchingversuchen konnten die erwarteten Effekte bei der Reaktion mit OH-Radikalen gemessen werden. Die Inkubation der COS7-Zellen verlief ebenfalls erfolgreich, wobei hier jedoch aufgrund technischer Limitierungen auf Seiten der verfügbaren Mikroskope keine Aussagen zur Spezifität der erreichten Färbung getroffen werden können.
In an undirected graph G we associate costs and weights to each edge. The weight-constrained minimum spanning tree problem is to find a spanning tree of total edge weight at most a given value W and minimum total costs under this restriction. In this thesis a literature overview on this NP-hard problem, theoretical properties concerning the convex hull and the Lagrangian relaxation are given. We present also some in- and exclusion-test for this problem. We apply a ranking algorithm and the method of approximation through decomposition to our problem and design also a new branch and bound scheme. The numerical results show that this new solution approach performs better than the existing algorithms.
Tropical geometry is a very new mathematical domain. The appearance of
tropical geometry was motivated by its deep relations to other mathematical
branches. These include algebraic geometry, symplectic geometry, complex
analysis, combinatorics and mathematical biology.
In this work we see some more relations between algebraic geometry and
tropical geometry. Our aim is to prove a one-to-one correspondence between
the divisor classes on the moduli space of n-pointed rational stable curves
and the divisors of the moduli space of n-pointed abstract tropical curves.
Thus we state some results of the algebraic case first. In algebraic geometry
these moduli spaces are well understood. In particular, the group of divisor
classes is calculated by S. Keel. We recall the needed results in chapter one.
For the proof of the correspondence we use some results of toric geometry.
Further we want to show an equality of the Chow groups of a special toric
variety and the algebraic moduli space. Thus we state some results of the
toric geometry as well.
This thesis tries to discover some connection between algebraic and tropical
geometry. Thus we also need the corresponding tropical objects to the
algebraic objects. Therefore we give some necessary definitions such as fan,
tropical fan, morphisms between tropical fans, divisors or the topical moduli
space of all n-marked tropical curves. Since we need it, we show that the
tropical moduli space can be embedded as a tropical fan.
After this preparatory work we prove that the group of divisor classes in
v
classical algebraic geometry has it equivalence in tropical geometry. For this
it is useful to give a map from the group of divisor classes of the algebraic
moduli space to the group of divisors of the tropical moduli space. Our aim is
to prove the bijectivity of this map in chapter three. On the way we discover
a deep connection between the algebraic moduli space and the toric variety
given by the tropical fan of the tropical moduli space.
Feature Based Visualization
(2007)
In this thesis we apply powerful mathematical tools such as interval arithmetic for applications in computational geometry, visualization and computer graphics, leading to robust, general and efficient algorithms. We present a completely novel approach for computing the arrangement of arbitrary implicit planar curves and perform ray casting of arbitrary implicit functions by jointly achieving, for the first time, robustness, efficiency and flexibility. Indeed we are able to render even the most difficult implicits in real-time with guaranteed topology and at high resolution. We use subdivision and interval arithmetic as key-ingredients to guarantee robustness. The presented framework is also well-suited for applications to large and unstructured data sets due to the inherent adaptivity of the techniques that are used. We also approach the topic of tensors by collaborating with mechanical engineers on comparative tensor visualization and provide them with helpful visualization paradigms to interpret the data.
Annual Report 2006
(2007)
Annual Report, Jahrbuch AG Magnetismus
The main concern of this contribution is the computational modeling of biomechanically relevant phenomena. To minimize resource requirements, living biomaterials commonly adapt to changing demands. One way to do so is the optimization of mass. For the modeling of biomaterials with changing mass, we distinguish between two different approaches: the coupling of mass changes and deformations at the constitutive level and at the kinematic level. Mass change at the constitutive level is typically realized by weighting the free energy function with respect to the density field, as experimentally motivated by Carter and Hayes [1977] and computationally realized by Harrigan and Hamilton [1992]. Such an ansatz enables the simulation of changes in density while the overall volume remains unaffected. In this contribution we call this effect remodeling. Although in principle applicable for small and large strains, this approach is typically adopted for hard tissues, e.g. bone, which usually undergo small strain deformations. Remodeling in anisotropic materials is realized by choosing an appropriate anisotropic free energy function. <br> Within the kinematic coupling, a changing mass is characterized through a multiplicative decomposition of the deformation gradient into a growth part and an elastic part, as first introduced in the context of plasticity by Lee [1969]. In this formulation, which we will refer to as growth in the following, mass changes are attributed to changes in volume while the material density remains constant. This approach has classically been applied to model soft tissues undergoing large strains, e.g. the arterial wall. The first contribution including this ansatz is the work by Rodriguez, Hoger and McCulloch [1994]. To model anisotropic growth, an appropriate anisotropic growth deformation tensor has to be formulated. In this contribution we restrict ourselves to transversely isotropic growth, i.e., growth characterized by one preferred direction. On that account, we define a transversely isotropic growth deformation tensor determined by two variables, namely the stretch ratios parallel and perpendicular to the characteristic direction. <br> Another method of material optimization is the adaption of the inner structure f a material to its loading conditions. In anisotropic materials this can be realized by a suitable orientation of the material directions. For example, the trabeculae in the human femur head are oriented such that they can carry the daily loads with an optimum mass. Such a behavior can also be observed in soft tissues. For instance, the fibers of muscles and the collagen fibers in the arterial wall are oriented along the loading directions to carry a maximum of mechanical load. If the overall loading conditions change, for instance during a balloon angioplasty or a stent implantation, the material orientation readapts, which we call reorientation. The anisotropy type in biomaterials is often characterized by fiber reinforcement. A particular subclass of tissues, which includes muscles, tendons and ligaments, is featured by one family of fibers. More complex microstructures, such as arterial walls, show two fiber families, which do not necessarily have to be perpendicular. Within this contribution we confine ourselves to the first case, i.e., transversely isotropic materials indicated by one characteristic direction. The reorientation of the fiber direction in biomaterials is commonly smooth and continuous. For transverse isotropy it can be described by a rotation of the characteristic direction. Analogous to the theory of shells, we additionally exclude drilling rotations, see also Menzel [2006]. However, the driving force for these reorientation processes is still under discussion. Mathematical considerations promote strain driven reorientations. As discussed, for instance, in Vianello [1996], the free energy reaches a critical state for coaxial stresses and strains. For transverse isotropy, it can be shown that this can be achieved if the characteristic direction is aligned with a principal strain direction. From a biological point of view, depending on the kind of material (i.e. bone, muscle tissue, cartilage tissue, etc.), both strains and stresses can be suggested as stimuli for reorientation. Thus, whithin this contribution both approaches are investigated. <br> In contrast to previous works, in which remodeling, growth and reorientation are discussed separately, the present work provides a framework comprising all of the three mentioned effects at once. This admits a direct comparison how and on which level the individual phenomenon is introduced into the material model, and which influence it has on the material behavior. For a uniform description of the phenomenological quantities an internal variable approach is chosen. Moreover, we particularly focus on the algorithmic implementation of the three effects, each on its own, into a finite element framework. The nonlinear equations on the local and the global level are solved by means of the Newton-Raphson scheme. Accordingly, the local update of the internal variables and the global update of the deformation field are consistently linearized yielding the corresponding tangent moduli. For an efficient implementation into a finite element code, unitized update algorithms are given. The fundamental characteristics of the effects are illustrated by means of some representative numerical simulations. Due to the unified framework, combinations of the individual effects are straightforward.
Abstract — Various advanced two-level iterative methods are studied numerically and compared with each other in conjunction with finite volume discretizations of symmetric 1-D elliptic problems with highly oscillatory discontinuous coefficients. Some of the methods considered rely on the homogenization approach for deriving the coarse grid operator. This approach is considered here as an alternative to the well-known Galerkin approach for deriving coarse grid operators. Different intergrid transfer operators are studied, primary consideration being given to the use of the so-called problemdependent prolongation. The two-grid methods considered are used as both solvers and preconditioners for the Conjugate Gradient method. The recent approaches, such as the hybrid domain decomposition method introduced by Vassilevski and the globallocal iterative procedure proposed by Durlofsky et al. are also discussed. A two-level method converging in one iteration in the case where the right-hand side is only a function of the coarse variable is introduced and discussed. Such a fast convergence for problems with discontinuous coefficients arbitrarily varying on the fine scale is achieved by a problem-dependent selection of the coarse grid combined with problem-dependent prolongation on a dual grid. The results of the numerical experiments are presented to illustrate the performance of the studied approaches.
A numerical upscaling approach, NU, for solving multiscale elliptic problems is discussed. The main components of this NU are: i) local solve of auxil- iary problems in grid blocks and formal upscaling of the obtained re sults to build a coarse scale equation; ii) global solve of the upscaled coarse scale equation; and iii) reconstruction of a fine scale solution by solving local block problems on a dual coarse grid. By its structure NU is similar to other methods for solving multiscale elliptic problems, such as the multiscale finite element method, the multiscale mixed finite element method, the numerical subgrid upscaling method, heterogeneous multiscale method, and the multiscale finite volume method. The difference with those methods is in the way the coarse scale equation is build and solved, and in the way the fine scale solution is reconstructed. Essential components of the presented here NU approach are the formal homogenization in the coarse blocks and the usage of so called multipoint flux approximation method, MPFA. Unlike the usual usage as MPFA as a discretiza- tion method for single scale elliptic problems with tensor discontinuous coefficients, we consider its usage as a part of a numerical upscaling approach. The main aim of this paper is to compare NU with the MsFEM. In particular, it is shown that the resonance effect, which limits the application of the Multiscale FEM, does not appear, or it is significantly relaxed, when the presented here numerical upscaling approach is applied.
Approximation property of multipoint flux approximation (MPFA) approach for elliptic equations with discontinuous full tensor coefficients is discussed here. Finite volume discretization of the above problem is presented in the case of jump discontinuities for the permeability tensor. First order approximation for the fluxes is proved. Results from numerical experiments are presented and discussed.
Calculating effective heat conductivity for a class of industrial problems is discussed. The considered composite materials are glass and metal foams, fibrous materials, and the like, used in isolation or in advanced heat exchangers. These materials are characterized by a very complex internal structure, by low volume fraction of the higher conductive material (glass or metal), and by a large volume fraction of the air. The homogenization theory (when applicable), allows to calculate the effective heat conductivity of composite media by postprocessing the solution of special cell problems for representative elementary volumes (REV). Different formulations of such cell problems are considered and compared here. Furthermore, the size of the REV is studied numerically for some typical materials. Fast algorithms for solving the cell problems for this class of problems, are presented and discussed.
An algorithm for automatic parallel generation of three-dimensional unstructured computational meshes based on geometrical domain decomposition is proposed in this paper. Software package build upon proposed algorithm is described. Several practical examples of mesh generation on multiprocessor computational systems are given. It is shown that developed parallel algorithm enables us to reduce mesh generation time significantly (dozens of times). Moreover, it easily produces meshes with number of elements of order 5 · 107, construction of those on a single CPU is problematic. Questions of time consumption, efficiency of computations and quality of generated meshes are also considered.
In the thesis the author presents a mathematical model which describes the behaviour of the acoustical pressure (sound), produced by a bass loudspeaker. The underlying physical propagation of sound is described by the non--linear isentropic Euler system in a Lagrangian description. This system is expanded via asymptotical analysis up to third order in the displacement of the membrane of the loudspeaker. The differential equations which describe the behaviour of the key note and the first order harmonic are compared to classical results. The boundary conditions, which are derived up to third order, are based on the principle that the small control volume sticks to the boundary and is allowed to move only along it. Using classical results of the theory of elliptic partial differential equations, the author shows that under appropriate conditions on the input data the appropriate mathematical problems admit, by the Fredholm alternative, unique solutions. Moreover, certain regularity results are shown. Further, a novel Wave Based Method is applied to solve appropriate mathematical problems. However, the known theory of the Wave Based Method, which can be found in the literature, so far, allowed to apply WBM only in the cases of convex domains. The author finds the criterion which allows to apply the WBM in the cases of non--convex domains. In the case of 2D problems we represent this criterion as a small proposition. With the aid of this proposition one is able to subdivide arbitrary 2D domains such that the number of subdomains is minimal, WBM may be applied in each subdomain and the geometry is not altered, e.g. via polygonal approximation. Further, the same principles are used in the case of 3D problem. However, the formulation of a similar proposition in cases of 3D problems has still to be done. Next, we show a simple procedure to solve an inhomogeneous Helmholtz equation using WBM. This procedure, however, is rather computationally expensive and can probably be improved. Several examples are also presented. We present the possibility to apply the Wave Based Technique to solve steady--state acoustic problems in the case of an unbounded 3D domain. The main principle of the classical WBM is extended to the case of an external domain. Two numerical examples are also presented. In order to apply the WBM to our problems we subdivide the computational domain into three subdomains. Therefore, on the interfaces certain coupling conditions are defined. The description of the optimization procedure, based on the principles of the shape gradient method and level set method, and the results of the optimization finalize the thesis.
In der betriebswirtschaftlichen Literatur hat sich bisher keine einheitliche Controllingkon-zeption durchsetzen können. Deswegen ist auch weitestgehend unklar, welche Instrumente dem Controlling zugeordnet werden können, obwohl eine starke instrumentelle Prägung des Controllings zu beobachten ist. Dieser Beitrag versucht, mit Hilfe kognitionswissen-schaftlicher Erkenntnisse und auf Basis einer breiten Literaturanalyse eine konsistente Zuordnung der betriebswirtschaftlichen Instrumente auf die betrieblichen Funktionsberei-che vorzunehmen. Dabei werden sechs Instrumentengruppen identifiziert, die unterschied-liche Arten von Methoden- und Faktenwissen benötigen. Diese Gruppen können zu weiten Teilen eindeutig einzelnen Funktionsbereichen zugeordnet werden. Auf diese Weise kann für eine ganze Reihe von betriebswirtschaftlichen Instrumenten die Controllingrelevanz präzise herausgearbeitet werden.
The IEEE 802.11 networks have a tremendous growth in the last years, but also now there is a rapid development of the wireless LAN technologies. High transmission rates, simple deployment and especially low costs make this network technology an efficient and cheap way to get access to the Internet. Fon is the world-wide greatest WIFI community and in January 2007 this community offers more than 11.000 access points in Germany and nearly 55.000 all over the world. However, this technology has also his shady sides. For example, it is possible for everyone to receive data from the wireless medium. So a protection against this open data traffic is a encryption mechanism called Wired Equivalent Privacy (WEP). The tragic end of theWired Equivalent Privacy (WEP) and the simplicity of various Denial-of-Service (DoS) attacks on the wireless medium have resulted in giving up the security at the logical-link layer and shifting it to upper layers (or in the best case leaving it within virtual private networks (VPNs)). Nevertheless, there is an enormous growth in using public access to the Internet via HotSpots in cafés, libraries, schools or at airports, train stops etc. Therefore, it is important for the Wireless Internet Service Provider (WISP) to make sure that anyone with a usual wireless device can connect to their access points. Offering this service to anybody makes giving a sufficient level of security very difficult. On the one hand it should be easy for everyone to use this access, on the other hand there is, in most cases, no security. A businessman is not very pleased about phishing his account data for a great enterprise or for his online office like the KIS at the University of Technology in Kaiserslautern. In most cases the WISPs use a simple web based authentication mechanism. By connecting to the WISPs services, the user is redirected to a webpage requesting his login data or credit card information. Therefore the user only needs a wireless LAN device and a webbrowser to authenticate. An attacker could sniff on the wireless medium to phish delicate data from a legal connected user or use DoS attacks as initial point for various other attacks. In most cases, this can be done with no or only small effort. On the other side, in some cases, the WISP has to do a hard reset on his wireless devices after a DoS attack. Therefore an analysis of access points is done in this work. So, the first part is to show how "‘new"’ access points react to flooding attacks and what mechanisms are used to protect them. The second part implements an attack using an anomaly of some access points that are discovered in the first part. And the last chapter deals with some information about using an Intrusion Detection System (IDS) to protect the devices against such attacks.
Nichtlinearer Horizontaler Bettungsmodulansatz für Trägerbohlwände in mitteldicht gelagertem Sand
(2007)
In der allgemeinen Baugrubenstatik für Trägerbohlwände werden haltende Kräfte vor dem im Baugrund einbindenden Teil des Trägers dem Erdwiderstand gleichgesetzt. Der Erwiderstand kann jedoch nur im Grenzzustand vollständig mobilisiert werden, was ausreichend große Verschiebungen am Trägerfuß voraussetzt. Die Abhängigkeit der tatsächlich mobilisierten Erdwiderstandsspannungen von den Verschiebungen kann mathematisch durch den hori-zontalen Bettungsmodul ausgedrückt werden. Bislang liegen zum horizontalen Bettungsmodul nur grobe Näherungsansätze vor, die die tatsächlichen Wechselwirkungen zwischen Spannun-gen und Verschiebungen für beliebige Verschiebungsbilder nicht realitätsnah erfassen. Ziel dieser Arbeit ist eine realitätsnahe Beschreibung des horizontalen Bettungsmoduls und damit einer realistischere Berechnung des Trag- und Verformungsverhaltens von Trägerbohl-wänden. Zur Ermittlung des Bettungsmoduls in Größe und Verlauf sowie zur Untersuchung von Einflussfaktoren auf den Bettungsmodul werden dreidimensionale Berechnungen nach der Finiten-Elemente-Methode (FEM) durchgeführt. Dabei werden die maßgebendenden Einfluss-faktoren im Rahmen von Parameterstudien für in der Praxis häufig vorkommende Werte-intervalle untersucht. Die FEM-Berechnungen erfolgen für freistehende, einfach rückverankerte und zweifach rückverankterte Trägerbohlwände in mitteldicht gelagertem Sand. Den Berechnungen liegt ein nichtlineares, elastoplastisches Stoffgesetz zugrunde. Die FEM-Berechnungen werden an den Messergebnissen vorhandener Großversuche kalibriert. Die FEM-Parameterstudien belegen eine Abhängigkeit des Bettungsmoduls von der Verschiebung u, der Tiefe z/t und der Druckflächenbreite b. Aus den FEM-Parameterstudien abgeleitet wird ein iterativer, nichtlinearer Berechnungsansatz für den horizontalen Bettungsmodul ksh erarbeitet. Darüber hinaus wird als Anfangswert der Iteration in der Ingenieurpraxis ein einfacher, linearer Näherungsansatz für den horizontalen Bettungsmodul ermittelt.
In contrast to p-hub problems with a summation objective (p-hub median), minmax hub problems (p-hub center) have not attained much attention in the literature. In this paper, we give a polyhedral analysis of the uncapacitated single allocation p-hub center problem (USApHCP). The analysis will be based on a radius formulation which currently yields the most efficient solution procedures. We show which of the valid inequalities in this formulation are facet-defining and present non-elementary classes of facets, for which we propose separation problems. A major part in our argumentation will be the close connection between polytopes of the USApHCP and the uncapacitated p-facility location (pUFL). Hence, the new classes of facets can also be used to improve pUFL formulations.
The present thesis deals with multi-user mobile radio systems, and more specifically, the downlinks (DL) of such systems. As a key demand on future mobile radio systems, they should enable highest possible spectrum and energy efficiency. It is well known that, in principle, the utilization of multi-antennas in the form of MIMO systems, offers considerable potential to meet this demand. Concerning the energy issue, the DL is more critical than the uplink. This is due to the growing importance of wireless Internet applications, in which the DL data rates and, consequently, the radiated DL energies tend to be substantially higher than the corresponding uplink quantities. In this thesis, precoding schemes for MIMO multi-user mobile radio DLs are considered, where, in order to keep the complexity of the mobile terminals as low as possible, the rationale receiver orientation (RO) is adopted, with the main focus to further reduce the required transmit energy in such systems. Unfortunately, besides the mentioned low receiver complexity, conventional RO schemes, such as Transmit Zero Forcing (TxZF), do not offer any transmit energy reductions as compared to conventional transmitter oriented schemes. Therefore, the main goal of this thesis is the design and analysis of precoding schemes in which such transmit energy reductions become feasible - under virtually maintaining the low receiver complexity - by means of replacing the conventional unique mappings by the selectable representations of the data. Concerning the channel access scheme, Orthogonal Frequency Division Multiplex (OFDM) is presently being favored as the most promising candidate in the standardization process of the enhanced 3G and forthcoming 4G systems, because it allows a very flexible resource allocation and low receiver complexity. Receiver oriented MIMO OFDM multi-user downlink transmission, in which channel equalization is already performed in the transmitter of the access point, further contributes to low receiver complexity in the mobile terminals. For these reasons, OFDM is adopted in the target system of the considered receiver oriented precoding schemes. In the precoding schemes considered the knowledge of channel state information (CSI) in the access point in the form of the channel matrix is essential. Independently of the applied duplexing schemes FDD or TDD, the provision of this information to the access point is always erroneous. However, it is shown that the impact of such deviations not only scales with the variance of the channel estimation errors, but also with the required transmit energies. Accordingly, the reduced transmit energies of the precoding schemes with selectable data representation also have the advantage of a reduced sensitivity to imperfect knowledge of CSI. In fact, these two advantages are coupled with each other.
Elastomeric and other rubber-like materials are often simultaneously exposed to short- and long-time loads within engineering applications. When aiming at establishing a general simulation tool for viscoelastic media over these different time scales, a suitable material model and its corresponding material parameters can only be determined if an appropriate number of experimental data is taken into account. In this work an algorithm for the identification of material parameters for large strain viscoelasticity is presented. Thereby, data of multiple experiments are considered. Based on this method the experimental loading intervals for long-time experiments can be shortened in time and the parameter identification procedure is now referred to experimental data of tests under short- and long-time loads without separating the parameters due to these different time scales. The employed viscoelastic material law is based on a nonlinear evolution law and valid far from thermodynamic equilibrium. The identification is carried out by minimizing a least squares functional comparing inhomogeneous displacement fields from experiments and FEM simulations at given (measured) force loads. Within this optimization procedure all material parameters are identified simultaneously by means of a gradient based method for which a semi-analytical sensitivity analysis is calculated. Representative numerical examples are referred to measured data for different polyurethanes. In order to show the general applicability of the identification method for multiple tests, in the last part of this work the parameter identification for small strain plasticity is presented. Thereby three similar test programs on three specimen of the aluminum alloy AlSi9Cu3 are analyzed, and the parameter sets for the respective individual identifications, and for the combination of all tests in one identification, is compared.
In the article the application of kernel functions – the so-called »kernel trick« – in the context of Fisher’s approach to linear discriminant analysis is described for data sets subdivided into two groups and having real attributes. The relevant facts about functional Hilbert spaces and kernel functions including their proofs are presented. The approximative algorithm published in [Mik3] to compute a discriminant function given the data and a kernel function is briefly reviewed. As an illustration of the technique an artificial data set is analysed using the algorithm just mentioned.
In der vorliegenden Arbeit wird das Tragverhalten von Verbundträgern im Bereich von großen Stegöffnungen analysiert und ein Modell zur Ermittlung der Querkrafttragfähigkeit des Betongurts entwickelt. Die Basis dazu bilden umfangreiche experimentelle und rechnerische Untersuchungen. Des Weiteren wird die Reibung zwischen dem Schaft von einbetonierten Kopfbolzendübeln und dem umgebendem Beton experimentell untersucht. Anhand von 21 großmaßstäblichen Traglastversuchen, die erstmals so konzipiert waren, dass im Öffnungsbereich nahezu die gesamte Querkraft durch den Betongurt übertragen wurde, konnte die Querkrafttragfähigkeit des Betongurts experimentell in engen Grenzen bestimmt werden. Neue Erkenntnisse über den Lastabtragungs- und Versagensmechanismus im Öffnungsbereich wurden durch die Auswertung der Dehnungen der Kopfbolzendübel im Öffnungsbereich und das nachträgliche Aufsägen des Betongurts der Versuchsträger gewonnen. Die Versuche wurden mit einem dreidimensionalen FE-Modell, das die Versuche in ihren wesentlichen Teilen abbildete, simuliert. Durch den Vergleich der rechnerischen mit den experimentell ermittelten Werten wurde dieses Modell überprüft und anschließend wurden damit Parameteruntersuchungen durchgeführt. Mit den Erkenntnissen aus den experimentellen und rechnerischen Untersuchungen konnte der Lastabtragungsmechanismus im Öffnungsbereich umfassend analysiert werden und ein Ingenieurmodell zur Bestimmung und zum Nachweis der Querkrafttragfähigkeit des Betongurts im Öffnungsbereich entwickelt werden.
Modeling and formulation of optimization problems in IMRT planning comprises the choice of various values such as function-specific parameters or constraint bounds. These values also affect the characteristics of the optimization problem and thus the form of the resulting optimal plans. This publication utilizes concepts of sensitivity analysis and elasticity in convex optimization to analyze the dependence of optimal plans on the modeling parameters. It also derives general rules of thumb how to choose and modify the parameters in order to obtain the desired IMRT plan. These rules are numerically validated for an exemplary IMRT planning problems.
In the present work the modelling and numerical treatment of discontinuities in thermo-mechanical solids is investigated and applied to diverse physical problems. From this topic a structure for this work results, which considers the formulation of thermo-mechanical processes in continua in the first part and which forms the mechanical and thermodynamical framework for the description of discontinuities and interfaces, that is performed in the second part. The representation of the modelling of solid materials bases on the detailed derivation of geometrically nonlinear kinematics, that yields different strain and stress measures for the material and spatial configuration. Accordingly, this results in different formulations of the mechanical and thermodynamical balance equations. On these foundations we firstly derive by means of the concepts of the plasticity theory an elasto-plastic prototype-model, that is extended subsequently. In the centre of interest is the formulation of damage models in consideration of rate-dependent material behaviour. In the next step follows the extension of the isothermal material models to thermo-mechanically coupled problems, whereby also the special case of adiabatic processes is discussed. Within the representation of the different constitutive laws, the importance is attached to their modular structure. Moreover, a detailed discussion of the isothermal and the thermo-mechanically coupled problem with respect to their numerical treatment is performed. For this purpose the weak forms with respect to the different configurations and the corresponding linearizations are derived and discretized. The derived material models are highlighted by numerical examples and also proved with respect to plausibility. In order to take discontinuities into account appropriate kinematics are introduced and the mechanical and thermodynamical balance equations have to be modified correspondingly. The numerical description is accomplished by so-called interface-elements, which are based on an adequate discretization. In this context two application fields are distinguished. On the one side the interface elements provide a tool for the description of postcritical processes in the framework of localization problems, which include material separation and therefore they are appropriate for the description of cutting processes. Here in turn one has to make the difference between the domain-dependent and the domain-independent formulation, which mainly differ in the definition of the interfacial strain measure. On the other side material properties are attached to the interfaces whereas the spatial extension is neglectable. A typical application of this type of discontinuities can be found in the scope of the modelling of composites, for instance. In both applications the corresponding thermo-mechanical formulations are derived. Finally, the different interface formulations are highlighted by some numerical examples and they are also proved with respect to plausibility.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnte eine Prozesstechnologie entwickelt werden,
die das Einsatzgebiet von endlosfaserverstärkten Thermoplasten (Organoblechen)
auf den Bereich von schnellbewegten Getriebebauteilen im Maschinenbau erweitert.
Zum Thermoformen von kohlenstofffaserverstärkten Thermoplasten wurde erstmals
die induktive Erwärmung als Heizquelle eingesetzt. Dies ermöglicht die Erwärmung
des untersuchten Halbzeuges (CF/PA66) an zwei lokal begrenzten Bereichen in weniger
als 30 Sekunden auf Umformtemperatur. Dieser lokale Energieeintrag bietet die
Grundlage für den anschließenden partiellen Thermoformprozess, mit dem Ziel
der gleichzeitigen Umformung mehrerer Formnester auf einem Halbzeug.
Durch Koppelung dieses Verfahren mit einem Werkzeugkonzept zur dickenadaptiven
Umformung war eine Erhöhung der Halbzeugdicke in definierten Bereichen um
bis zu 200 % möglich. In Organobleche mit einer Dicke von 2 mm wurden Lagersitze
mit einer Lagersitzbreite von 6 mm eingeformt, ohne dass Material von außen nachgeführt
oder extern dem Prozess zugeführt werden musste. Auch ein Verfahren zum
Ausformen von Lagersitzen und dem gleichzeitigen Fügen metallischer Lager wurde
realisiert und ein Modell von geometrisch möglichen Lagersitzdimensionen in Abhängigkeit
der Organoblechdicke erstellt.
Die Kombination aus Prozess Neu- und Weiterentwicklungen führt zu einer Prozesskettenverkürzung
mit einer daraus resultierenden Prozesszeiteinsparung von
bis zu 37 % gegenüber dem partiellen Thermoformen, was entscheidend zur Kostensenkung
bei der Herstellung beiträgt.
Die Prozesskette wurde an einem Demonstratorbauteil, einem schnellbewegten Hebel
(Fadenhebel) einer Industrienähmaschine, exemplarisch abgebildet. Dieser Fadenhebel
besitzt zwei metallische Rillenkugellager, die in einem Schritt in ein zuvor
ebenes Halbzeug eingeformt und gefügt wurden. Bei der Bauteilprüfung zeigte sich
neben einer Netto-Gewichtsreduzierung von 50 % gegenüber der bestehenden Aluminiumvariante
eine Reduzierung der Schallemission um bis zu 1 dB(A). Dies ist auf
das hohe Dämpfungsvermögen des thermoplastischen Ausgangsmaterials zurückzuführen, und unterstreicht das große Potenzial dieser Werkstoffklasse in dynamisch
belasteten Bauteilen.
In the theoretical part of this thesis, the difference of the solutions of the elastic and the elastoplastic boundary value problem is analysed, both for linear kinematic and combined linear kinematic and isotropic hardening material. We consider both models in their quasistatic, rate-independent formulation with linearised geometry. The main result of the thesis is, that the differences of the physical obervables (the stresses, strains and displacements) can be expressed as composition of some linear operators and play operators with respect to the exterior forces. Explicit homotopies between both solutions are presented. The main analytical devices are Lipschitz estimates for the stop and the play operator. We present some generalisations of the standard estimates. They allow different input functions, different initial memories and different scalar products. Thereby, the underlying time involving function spaces are the Sobolov spaces of first order with arbitrary integrability exponent between one and infinity. The main results can easily be generalised for the class of continuous functions with bounded total variation. In the practical part of this work, a method to correct the elastic stress tensor over a long time interval at some chosen points of the body is presented and analysed. In contrast to widespread uniaxial corrections (Neuber or ESED), our method takes multiaxiality phenomena like cyclic hardening/softening, ratchetting and non-masing behaviour into account using Jiang's model of elastoplasticity. It can be easily adapted to other constitutive elastoplastic material laws. The theory for our correction model is developped for linear kinematic hardening material, for which error estimated are derived. Our numerical algorithm is very fast and designed for the case that the elastic stress is piecewise linear. The results for the stresses can be significantly improved with Seeger's empirical strain constraint. For the improved model, a simple predictor-correcor algorithm for smooth input loading is established.
In this article we give a sufficient condition that a simply connected flexible body does not penetrate itself, if it is subjected to a continuous deformation. It is shown that the deformation map is automatically injective, if it is just locally injective and injective on the boundary of the body. Thereby, it is very remarkable that no higher regularity assumption than continuity for the deformation map is required. The proof exclusively relies on homotopy methods and the Jordan-Brouwer separation theorem.
In this article, we present an analytic solution for Jiang's constitutive model of elastoplasticity. It is considered in its stress controlled form for proportional stress loading under the assumptions that the one-to-one coupling of the yield surface radius and the memory surface radius is switched off, that the transient hardening is neglected and that the ratchetting exponents are constant.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden pflanzliche Membranproteine mit strukturellen Ähnlichkeiten zu Anion:Cation-Symportern, insbesondere zu den Transportern der NaPi1- Familie aus Tieren untersucht. Neben den bereits bekannten Anion-Transporter (ANTR) aus Arabidopsis thaliana (ROTH et al., 2004) wurde in dieser Arbeit eine homologe Proteinfamilie aus Oryza sativa identifiziert. Dabei konnte die funktionelle Verwandtschaft der Proteine AtANTR5 aus A. thaliana und OsANTR5.1 aus O. sativa mittels Komplementation der antr5-Mutante nachgewiesen werden. Der Schwerpunkt der Arbeit lag in der Charakterisierung der physiologischen Bedeutung des AtANTR5-Proteins in der Phosphathomöostase, im Stickstoffstoffwechsel oder bei Pathogenbefall. Mittels GFP-Fusionsexperimenten konnte für AtANTR5 eine subzelluläre Lokalisierung im Golgi-Apparat festgestellt werden. Durch AtANTR5-Promotor-GUS-Pflanzen wurde die gewebe- und entwicklungsspezifische Expression des Membranproteins untersucht. AtANTR5 weist in den meisten Geweben eine sehr geringe Transkriptmenge auf und ist mittels GUS-Färbung nur in Pollen detektierbar. Dennoch ist das AtANTR5-Protein für die ganze Pflanze von essentieller Bedeutung, da eine Inaktivierung des Gen zu gravierenden phänotypischen Veränderungen, gekennzeichnet durch zwergenhaften Wuchs, eingerollten Blättern und Blattläsionen. Aufgrund der Ähnlichkeit zu tierischen Phosphattransportern, wurde zunächst der Einfluss von AtANTR5 auf die Phosphathomöostase in entsprechenden „knock out“-Mutanten untersucht. Es konnte jedoch keine Veränderungen im Phosphathaushalt festgestellt werden. Vielmehr weist die antr5-Mutante eine erhöhte Sensitivität gegenüber Aminosäuren, Ammonium und Salz auf. Offensichtlich ist die durch AtANTR5 Transportaktivität innerhalb des Golgi-Apparates von außerordentlichen Wichtigkeit für den pflanzlichen Stoffwechsel. Des weiteren konnte ein Zusammenhang zwischen AtANTR5 und Pathogenabwehr festgestellt werden. „Northern-Blot“-Analysen zeigten eine Induktion der AtANTR5-Expression als Antwort auf Pathogenbefall durch P. syringae. Zytologische sowie histochemische Analysen haben bei antr5-Pflanzen die Ausprägung zahlreicher Abwehrmechanismen, wie Ablagerungen von Callose in den Zellwänden, Akkumulation von phenolischen Metaboliten, Salizylsäure, PR Proteinen und Wasserstoffperoxid oder Absterben der Zellen, gezeigt. Weiterhin konnte eine erhöhte Resistenz der antr5-Pflanzen gegenüber dem Befall von P. syringae ermittelt werden. Durch die Expression des NahG-Gens in antr5-Mutanten konnte gezeigt werden, dass die Expression der PR-Gene Salizylsäure abhängig, das spontane Absterben der Zellen jedoch Salizylsäure unabhängig war. Dieses Befund lässt den Schluss zu, dass erhöhte SA-Akkumulation und die dadurch aktivierte Abwehr, sekundäre Effekte der AtANTR5-Inaktivierung darstellen.
The present work deals with the (global and local) modeling of the windfield on the real topography of Rheinland-Pfalz. Thereby the focus is on the construction of a vectorial windfield from low, irregularly distributed data given on a topographical surface. The developed spline procedure works by means of vectorial (homogeneous, harmonic) polynomials (outer harmonics) which control the oscillation behaviour of the spline interpoland. In the process the characteristic of the spline curvature which defines the energy norm is assumed to be on a sphere inside the Earth interior and not on the Earth’s surface. The numerical advantage of this method arises from the maximum-minimum principle for harmonic functions.
This paper disscuses the minimal area rectangular packing problem of how to pack a set of specified, non-overlapping rectangels into a rectangular container of minimal area. We investigate different mathematical programming approaches of this and introduce a novel approach based on non-linear optimization and the \\\"tunneling effect\\\" achieved by a relaxation of the non-overlapping constraints.
Zwei zentrale Probleme der modernen Finanzmathematik sind die Portfolio-Optimierung und die Optionsbewertung. Während es bei der Portfolio-Optimierung darum geht, das Vermögen optimal auf verschiedene Anlagemöglichkeiten zu verteilen, versucht die Optionsbewertung faire Preise von derivativen Finanzinstrumenten zu bestimmen. In dieser Arbeit werden Fragestellungen aus beiden dieser Themenbereiche bearbeitet. Die Arbeit beginnt mit einem Kapitel über Grundlagen, in dem zum Beispiel das Portfolio-Problem von Merton dargestellt und die Black/Scholes-Formel zur Optionsbewertung hergeleitet wird. In Kapitel 2 wird das Portfolio-Problem von Morton und Pliska betrachtet, die in das Merton-Modell fixe Transaktionskosten eingeführt haben. Dabei muß der Investor bei jeder Transaktion einen fixen Anteil vom derzeitigen Vermögen als Kosten abführen. Es wird die asymptotische Approximation dieses Modells von Atkinson und Wilmott vorgestellt und die optimale Portfoliostrategie aus den Marktparametern hergeleitet. Danach werden die tatsächlichen Transaktionskosten abgeschätzt und ein User Guide zur praktischen Anwendung dieses Transaktionskostenmodells angegeben. Zum Schluß wird das Modell numerisch analysiert, indem unter anderem die erwartete Handelszeit und die Güte der Abschätzung der tatsächlichen Transaktionskosten berechnet werden. Ein Portfolio-Problem mit internationalen Märkten wird in Kapitel 3 vorgestellt. Dem Investor steht zusätzlich zu seinem Heimatland noch ein weiteres Land für seine Vermögensanlagen zur Verfügung. Dabei werden die Preisprozesse für die ausländischen Wertpapiere mit einem stochastischen Wechselkurs in die Heimatwährung umgerechnet. In einer statischen Analyse wird unter anderem berechnet, wieviel weniger Vermögen der Investor benötigt, um das gleiche erwartete Endvermögen zu erhalten wie in dem Fall, wenn ihm keine Auslandsanlagen zur Verfügung stehen. Kapitel 4 behandelt drei verschiedene Portfolio-Probleme mit Sprung-Diffusions-Prozessen. Nach der Herleitung eines Verifikationssatzes wird das Problem bei Anlagemöglichkeit in eine Aktie und in ein Geldmarktkonto jeweils für eine konstante und eine stochastische Zinsrate untersucht. Im ersten Fall wird eine implizite Darstellung für den optimalen Portfolioprozeß und eine Bedingung angegeben, unter der diese Darstellung eindeutig lösbar ist. Außerdem wird der optimale Portfolioprozeß für verschiedene Verteilungen für die Sprunghöhe untersucht. Im Falle einer stochastischen Zinsrate kann nur ein Kandidat für den optimalen Lösungsprozeß angeben werden. Dieser hat wieder eine implizite Darstellung. Das letzte Portfolio-Problem ist eine Abwandlung des Modells aus Kapitel 3. Wird dort der Wechselkurs durch eine geometrisch Brownsche Bewegung modelliert, ist er hier ein reiner Sprungprozeß. Es wird wieder der optimale Portfolioprozeß hergeleitet, wobei ein Anteil davon unter Umständen nur numerisch lösbar ist. Eine hinreichende Bedingung für die Lösbarkeit wird angegeben. In Kapitel 5 werden verschiedene Bewertungsansätze für Optionen auf Bondindizes präsentiert. Es wird eine Methode vorgestellt, mit der die Optionen anhand von Marktpreisen bewertet werden können. Für den Fall, daß es nicht genug Marktpreise gibt, wird ein Verfahren angegeben, um den Bondindex realitätsnah zu simulieren und künstliche Marktpreise zu erzeugen. Diese Preise können dann für eine Kalibrierung verwendet werden.
This dissertation is intended to transport the theory of Serre functors into the context of A-infinity-categories. We begin with an introduction to multicategories and closed multicategories, which form a framework in which the theory of A-infinity-categories is developed. We prove that (unital) A-infinity-categories constitute a closed symmetric multicategory. We define the notion of A-infinity-bimodule similarly to Tradler and show that it is equivalent to an A-infinity-functor of two arguments which takes values in the differential graded category of complexes of k-modules, where k is a commutative ground ring. Serre A-infinity-functors are defined via A-infinity-bimodules following ideas of Kontsevich and Soibelman. We prove that a unital closed under shifts A-infinity-category over a field admits a Serre A-infinity-functor if and only if its homotopy category admits an ordinary Serre functor. The proof uses categories and Serre functors enriched in the homotopy category of complexes of k-modules. Another important ingredient is an A-infinity-version of the Yoneda Lemma.
In this paper we extend the slender body theory for the dynamics of a curved inertial viscous Newtonian fiber [23] by the inclusion of surface tension in the systematic asymptotic framework and the deduction of boundary conditions for the free fiber end, as it occurs in rotational spinning processes of glass fibers. The fiber ow is described by a three-dimensional free boundary value problem in terms of instationary incompressible Navier-Stokes equations under the neglect of temperature dependence. From standard regular expansion techniques in powers of the slenderness parameter we derive asymptotically leading-order balance laws for mass and momentum combining the inner viscous transport with unrestricted motion and shape of the fiber center-line which becomes important in the practical application. For the numerical investigation of the effects due to surface tension, viscosity, gravity and rotation on the fiber behavior we apply a fnite volume method with implicit flux discretization.
Haustoria of the rust fungus pathogen Uromyces fabae deliver RTP1 (Rust Transferred Protein1) into host plant cells. In this work, different heterologous expression systems were used to study RTP1 biological function as well as RTP1 transfer mechanism. The first part of this thesis focused on the identification of the subcellular target compartment of RTP1 in plant cells. In this respect we could identify a functional bipartite nuclear localization signal within RTP1. However, stable and transient expression studies of RTP1 in different plant species, including the host plant Vicia faba, interfered with plant cell vitality but did not result in detection of RTP1 protein. These findings led us to propose that RTP1 interferes with plant gene expression. However, the molecular basis of this interference remains unclear. By deletion studies, we could localize the active region of RTP1 within a 45 amino acid central domain. In the second part of this study, two different lines of approaches were taken to study RTP1 transfer mechanism. First, transient expression of secreted RTP1 (sRTP1) also interfered with plant cell vitality. Addition of an endoplasmic reticulum retention signal abolished sRTP1 interference with plant cell vitality, suggesting that RTP1 can reenter the plant cell from the apoplast after secretion in the absence of the pathogen. We have identified a PEST-like region within RTP1, however, contribution of this region to the stability of RTP1 is not clear. Site directed mutagenesis analysis showed that the PEST-like region is likely to play a role during the transfer of RTP1 through plant plasma membrane. In the second line of approach, we established a recombinant delivery model, using Ustilago maydis/Zea mays pathosystem, to pursue RTP1 translocation into the plant cell. Our results indicate that U. maydis is capable of secreting high amounts of recombinant RTP1, showing similar glycosylation pattern as RTP1 secreted from rust haustoria. Our data propose the use of this model system to study RTP1 domains mediating its entry into the plant cell. Haustoria of the rust fungus pathogen Uromyces fabae deliver RTP1 (Rust Transferred Protein1) into host plant cells. In this work, different heterologous expression systems were used to study RTP1 biological function as well as RTP1 transfer mechanism. The first part of this thesis focused on the identification of the subcellular target compartment of RTP1 in plant cells. In this respect we could identify a functional bipartite nuclear localization signal within RTP1. However, stable and transient expression studies of RTP1 in different plant species, including the host plant Vicia faba, interfered with plant cell vitality but did not result in detection of RTP1 protein. These findings led us to propose that RTP1 interferes with plant gene expression. However, the molecular basis of this interference remains unclear. By deletion studies, we could localize the active region of RTP1 within a 45 amino acid central domain. In the second part of this study, two different lines of approaches were taken to study RTP1 transfer mechanism. First, transient expression of secreted RTP1 (sRTP1) also interfered with plant cell vitality. Addition of an endoplasmic reticulum retention signal abolished sRTP1 interference with plant cell vitality, suggesting that RTP1 can reenter the plant cell from the apoplast after secretion in the absence of the pathogen. We have identified a PEST-like region within RTP1, however, contribution of this region to the stability of RTP1 is not clear. Site directed mutagenesis analysis showed that the PEST-like region is likely to play a role during the transfer of RTP1 through plant plasma membrane. In the second line of approach, we established a recombinant delivery model, using Ustilago maydis/Zea mays pathosystem, to pursue RTP1 translocation into the plant cell. Our results indicate that U. maydis is capable of secreting high amounts of recombinant RTP1, showing similar glycosylation pattern as RTP1 secreted from rust haustoria. Our data propose the use of this model system to study RTP1 domains mediating its entry into the plant cell.
For almost thirty years bast fibers such as flax, hemp, kenaf, sisal and jute have been
used as reinforcing material in the molding process of both thermoplastic and thermoset
matrices. The main application areas of these natural fiber reinforced composites
in Europe are limited almost exclusively to the passenger car range. Typical
components are door panels, rear parcel shelves, instrument boards and trunk linings.
Natural fiber reinforced composites have become prevalent due to their good
mechanical properties and their low production costs. The main advantage in applying
natural fibers as reinforcement in composite materials is the price. Nowadays this
argument becomes more and more important due to the scarcity of synthetic raw materials
and consequently, their rising prices. Additionally the low density (approx.
1.5 g/cm³) of natural fibers confers them a very good lightweight potential. Other advantageous
features of natural fiber composites include very good processing and
acoustic properties. Further benefits such as good life cycle assessment and easier
processability compared to glass fiber material should also be taken into account.
Disadvantages of natural fibers are unevenness of the fiber quality and varying fiber
characteristics due to differences in soil, climate and fiber separation and their low
heat resistance (at temperatures exceeding 220 °C, some fiber components start
thermal degradation). Another disadvantage of natural fiber reinforced materials is
that with some matrices (mostly thermoplastic polymers) a sufficient impregnation of
the fibers can only be achieved if the fiber content in the composite is kept low, usually
below 50 wt.-%. Under these conditions the best performance of the natural fiber
reinforcement can not be realized. Another disadvantage of non-impregnated thermoplastic
prepregs is the long processing cycle times, which result from heating up the enclosed air in the prepreg during the process. Alternatively pure natural fiber
based non-woven fabrics are impregnated with thermoset systems. Due to the relatively
simple handling compared to alternative procedures, the thermoforming of thermoset
bonded prepregs is a very promising method for manufacturing natural fiber
reinforced components.
In this work, a novel general concept for natural fiber reinforced composites with a
natural fiber content of approx. 80 wt.-% and a thermoset matrix is developed. A suitable
material combination as well as an optimal process execution that help to meet the technical requirements for the natural fiber reinforced composites will be demonstrated.
Hemp and kenaf have been chosen as reinforcement fibers. In this work it is shown
that hemp and kenaf can be used as successful reinforcement alternatives to the
more established flax fibers in composite materials. Short flax fibers, which are commonly
used as reinforcement in composites (approx. 67 % for the German automotive
applications), are the “waste” of the long fiber production and their availability
and price strongly depend on the demand of the long fibers from the textile industry
and therefore their cost can strongly fluctuate, as it has been demonstrated in the
past few years. In contrast fiber plants such as hemp and kenaf are especifically cultivated
for technical applications and their availability and price is much more stable.
For their application a profound knowledge of the structural and mechanical properties
of the fibers is indispensable. In this work single filament tensile tests on these
two types of natural fibers are carried out. The cross-section area of both fibers, necessary
for the calculation of the tensile properties, was intensively studied using light
microscopy and Scanning Electron Microscopy (SEM) analysis. Because the occurrence
of flaws within the fiber is random in nature, tensile strength data of these fibers
was statistically analyzed using the Weibull distribution. The strengths were estimated
by means of Weibull statistics and then were compared to experimentally
measured strengths.
For a better handling of the material, both kenaf and hemp fibers were manufactured
to needle punched fiber mats. For the impregnation of the natural fiber mats, a Foulard-
process with the thermoset matrix as an aqueous solution was employed. The
reproducibility of this impregnation process was examined. Different matrix Systems with different chemical compositions were applied on the needle punched fiber mats.
The impregnated prepregs were heated and consolidated to components in a onestep-
process. A big advantage of this procedure is the short cycle times, since no
additional pre-heating process is required, in contrast to thermoplastic bonded prepregs.
Additionally, a parameter study of the mechanical properties of the composites
was performed. The best matrix system satisfying the work conditions and properties
of the composites was chosen to carry out the next working step, namely optimization of the compression molding process for the thermoset bonded natural fiber prepregs.
Apart from the material composition of prepregs, general processing parameters
such as temperature, time and pressure play a decisive role for the quality of structures
made of natural fiber reinforced polymers. The impregnated prepregs were
consolidated in a one-step-process to components. A systematic parameter study of
the influence of the relevant process parameters on the characteristics of manufactured
components was performed. Mould temperatures over 200 °C lead to thermal
degradation of the fibers. This temperature should not be exceeded when working
with natural fibers. Furthermore, the composites clearly display a dependence on the
processing pressure. The flexural properties increase with increasing manufacturing
pressures between 15 and 60 bar, reaching a maximum at 60 bar. At higher pressures
(80 to 200 bar) a decrease of the flexural properties is demonstrated. SEM images
of the fracture surface of the composites show that the decrease of the mechanical
properties is related to structural damage of the fiber.
A new technology allowing pressing under vacuum conditions was developed and tested. The press is equipped with a vacuum chamber and achieves very short cycle
processing times (up to less than one minute during the compression molding). The
aspiration connections of the vacuum chamber ensure that the residual moisture and
the condensation products of the matrix chemical reaction could be directly evacuated.
This type of press ensures also very safe processing and working conditions.
The properties of the components fulfill the technical specifications for natural fiber
reinforced polymers for use in the car interior. This versatile composite material is not
only limited to automotive applications, but may also be used for product manufacturing
in other industries. This work shows that the process parameters can be optimized
to fit a particular application.
Facility location decisions play a critical role in the strategic design of supply chain networks. In this paper, an extensive literature review of facility location models in the context of supply chain management is given. Following a brief review of core models in facility location, we identify basic features that such models must capture to support decision-making involved in strategic supply chain planning. In particular, the integration of location decisions with other decisions relevant to the design of a supply chain network is discussed. Furthermore, aspects related to the structure of the supply chain network, including those specific to reverse logistics, are also addressed. Significant contributions to the current state-of-the-art are surveyed taking into account numerous factors. Supply chain performance measures and optimization techniques are also reviewed. Applications of facility location models to supply chain network design ranging across various industries are discussed. Finally, a list of issues requiring further research are highlighted.
The main goal of this work is to examine various aspects of `inelastic continuum mechanics': first, fundamental aspects of a general finite deformation theory based on a multiplicative decomposition of the deformation gradient with special emphasis on the incompatibility of the so-called intermediate configuration are discussed in detail. Moreover, various balance of linear momentum representations together with the corresponding volume forces are derived in a configurational mechanics context. Subsequent chapters are consequently based on these elaborations so that the applied multiplicative decomposition generally serves as a fundamental modelling concept in this work; after generalised strain measures are introduced, a kinematic hardening model coupled with anisotropic damage, a substructure evolution framework as well as two different growth and remodelling formulations for biological tissues are presented.
In urban planning, sophisticated simulation models are key tools to estimate future population growth for measuring the impact of planning decisions on urban developments and the environment. Simulated population projections usually result in large, macro-scale, multivariate geospatial data sets. Millions of records have to be processed, stored, and visualized to help planners explore and analyze complex population patterns. We introduce a database driven framework for visualizing geospatial multidimensional simulation data based on the output from UrbanSim, a software for the analysis and planning of urban developments. The designed framework is extendable and aims at integrating empirical-stochastic methods and urban simulation models with techniques developed for information visualization and cartography. First, we develop an empirical model for the estimation of residential building types based on demographic household characteristics. The predicted dwelling type information is important for the analysis of future material use, carbon footprint calculations, and for visualizing simultaneously the results of land usage, density, and other significant parameters in 3D space. Our model uses multinomial logistic regression to derive building types at different scales. The estimated regression coefficients are applied to UrbanSim output in order to predict residential building types. The simulation results and the estimated building types are managed in an object-relational geodatabase. From the database, density, building types, and significant demographic variables are visually encoded as scalable, georeferenced 3D geometries and displayed on top of aerial photographs in a Google Earth visual synthesis. The geodatabase can be accessed and the visualization parameters can be chosen through a web-based user interface. The geometries are encoded in KML, Google's markup language, as ready-to-visualize data sets. The goal is to enhance human cognition by displaying abstract representations of multidimensional data sets in a realistic context and thus to support decision making in planning processes.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit Methoden zur Klassifikation von Ovoiden in quadratischen Räumen. Die Anwendung der dazu entwickelten Algorithmen erfolgt hauptsächlich in achtdimensionalen Räumen speziell über den Körpern GF(7), GF(8) und GF(9). Zu verschiedenen, zumeist kleinen, zyklischen Gruppen werden hier die unter diesen Gruppen invarianten Ovoide bestimmt. Die bei dieser Suche auftretenden Ovoide sind alle bereits bekannt. Es ergeben sich jedoch Restriktionen an die Stabilisatoren gegebenenfalls existierender, unbekannter Ovoide.
Embedded systems are becoming more and more important in today’s life in many ways. They can be found in dishwashers, mobile phones, coffee machines, PDAs, etc. Although there is no common definition of what an embedded system is, it can be generally defined as a special-purpose information processing system, containing both: software and hardware. Embedded systems are integrated in a larger systems which interact with environment for achieving a set of predefined tasks or applications. In general, embedded systems are characterized by resources scarcity, among which energy is becoming more and more important (especially the energy consumed by the processor). The energy consumed by an embedded system is strongly influenced by the software running on it (the embedded software). That is why it is crucial to explore the software characteristics that have an influence on the energy consumption, and to understand how this influence could be represented. In order to realize this task, there is a need for the construction of a reliable measurement platform for energy consumption by embedded devices. The target of this work is to design and implement a framework for measuring energy consumption of embedded software. This framework is based on the XScale architecture, a popular Intel platform designed for energy aware applications. The framework has a software repository which contains a number of programs (user-defined) that are supposed to run on the mentioned platform. These program codes are the input of the framework. Automated measurements for energy consumption are performed on all programs for gathering the required information. In the context of this work, a first evaluation of the framework was performed to make an initial check its quality.
The thesis is concerned with multiscale approximation by means of radial basis functions on hierarchically structured spherical grids. A new approach is proposed to construct a biorthogonal system of locally supported zonal functions. By use of this biorthogonal system of locally supported zonal functions, a spherical fast wavelet transform (SFWT) is established. Finally, based on the wavelet analysis, geophysically and geodetically relevant problems involving rotation-invariant pseudodifferential operators are shown to be efficiently and economically solvable.
Im Zuge der steigenden Anzahl von Einsatzmöglichkeiten der
Faserverbundwerkstoffe in den verschiedensten Industriebereichen spielt die
Entwicklung bzw. Weiterentwicklung neuer und effektiverer Verarbeitungstechniken
eine bedeutende Rolle.
Dabei findet derzeit das Harzinjektionsverfahren (LCM) ausschließlich für kleinere bis
mittlere Stückzahlen seinen Einsatz. Aufgrund der sehr großen Stückzahlen im
Automobilbereich, ist dieses Verfahren hier zurzeit weniger interessant. Daher
werden große Anstrengungen unternommen, das Harzinjektionsverfahren besonders
für solche Bauteile attraktiver zu machen, die gegenwärtig mit Hilfe des Prepreg-
Verfahrens hergestellt werden. Dabei spielt die Reduktion der hier vergleichsweise
hohen Zykluszeit eine tragende Rolle. Die Dauer eines Zyklus wird hierbei
hauptsächlich durch die Vorbereitung und Herstellung der Verstärkungsstruktur
(Preform) sowie durch die Bestückung des Werkzeuges bestimmt. Diese so
genannte Preform-Technik weist daher ein sehr großes Entwicklungspotential auf,
mit dem Ziel, solche Verstärkungsstrukturen herzustellen, die nach der Injektion
keine Nacharbeit erfordern. Solche Strukturen werden auch als „net shape, ready-toimpregnate“-
Preform bezeichnet. Die hierfür notwendigen Techniken stammen
vornehmend aus der Textilindustrie, wie z.B. die direkte Preformtechnik, das Nähen
oder Kleben (Binder-Technik).
Ziel der vorliegenden Dissertation ist es, die Möglichkeiten der Nähtechnik bezogen
auf die Herstellung der Preforms zu untersuchen. Hierfür werden die verschiedenen
Naht- und Verbindungsarten hinsichtlich ihres Einsatzes in der Preformtechnik, wie
die Fixier- und Positionier-, die Füge- oder Verbindungsnaht und die Montagenaht,
untersucht.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde zunächst innerhalb einer Studie zur „net shape“-
Preformtechnik eine Versteifungsstruktur entwickelt und hergestellt. Diese Struktur
soll dabei der Veranschaulichung der Möglichkeiten und Einsatzbereiche der
Nähtechnik bei der Preformtechnologie dienen. Zudem kann so ein mehrstufiger
Preformherstellungsprozess demonstriert werden. Ferner zeigt diese Studie, dass
ein hochgradiger, automatisierter Prozess, welcher zudem eine durchgängige
Qualitätskontrolle ermöglicht, realisiert werden konnte. Als ein weiterer Schritt wurde ein Prozess zur Herstellung eine dreidimensionalen
Preform, der die Anwendung verschiedener thermoplastischer,
niedrigtemperaturschmelzender Nähgarne zulässt, ausgearbeitet. Hierbei wurden die
Vorteile der Näh- und der Binder-Technologie miteinander verbunden. Außerdem
konnte durch die bereits formstabile und imprägnierungsfertige Preformstruktur, die
Bestückung des Werkzeuges wesentlich vereinfacht werden. Um die mechanischen
Eigenschaften der Preforms bestimmen zu können, wurden quantitative
Messmethoden erarbeitet. Hierdurch konnten anschließend die Einflüsse der
Orientierung sowie der Stichdichte ermittelt werden. Zudem wurden die folgenden
drei grundlegenden Eigenschaften untersucht: die spezifische Biegesteifigkeit, der so
genannte Rückspringwinkel sowie die Rückstellkraft nach dem Thermoformen
hinsichtlich der verschiedenen Nähtypen.
Um dies zu ergänzen, wurden weiterführende Untersuchungen zu den
Materialeigenschaften der Nähfäden, die bei der dreidimensionalen Preformtechnik
eingesetzt werden können, durchgeführt. Dabei ist neben der niedrigen
Schmelztemperatur die vollständige Auflösbarkeit der Nähgarne in den ungesättigten
Polyester- und Epoxidharzen besonders wichtig. Auf Grund dieser vollständigen
Auflösung der Fäden in der Matrix können die Stichlöcher wieder vollkommen
verschlossen werden. Dadurch kann eine Reduktion des Einflusses solcher
Stichlöcher auf die mechanischen Eigenschaften des Faserverbundwerkstoffes
erreicht werden. Mit Hilfe dieser Untersuchungen wurden schließlich zwei polymere
Nähgarne als vielversprechend beurteilt. Diese weisen eine Schmelztemperatur von
weniger als 100 °C sowie eine gute Lösbarkeit, besonders im Harzsystem RTM 6,
auf.
In der Preformtechnik werden die Nähte nicht nur als Positionier- oder Montagenaht
eingesetzt, sondern können in einer Struktur als auch als Verstärkungselement, eine
so genannte Verstärkungsnaht, verwendet werden. Der Zweck einer solchen Naht ist
die interlaminare Verstärkung von monolitischen oder Sandwichstrukturen. Zudem
besteht die Möglichkeit, diese zur Fixierung von metallischen Funktionselementen
(Inserts) in den Faserverbundwerkstoff zu benutzen. Hinsichtlich diese Möglichkeiten
wurden im Rahmen dieser Arbeit erfolgreich Untersuchung durchgeführt. Dabei
wiesen die eingenähten Krafteinleitungselemente in durchgeführten statischen
Zugversuchen eine annähernd 200 % höhere maximale Zugkraft verglichen mit
entsprechenden Elementen (BigHead®), die nicht durch eine Naht fixiert wurden. Weitere Untersuchungen zeigten auch, dass eine doppelte Naht nicht eine
proportionale Verdoppelung der maximal erreichbaren Zugkraft bewirkt. Der Grund
hierfür liegt an einer partiellen Zerstörung des vorhandenen Nähgarns der ersten
Naht begründet durch den doppelten Einstich in die bereits bestehenden Löcher
beim mehrmaligen Durchlaufen der Nadel. Der größte Verstärkungseffekt konnte
schließlich bei der interlaminaren Einbettung und der Vernähung des Insert erreicht
werden. In diesem Fall kann eine Delamination, wie sie bei lediglich interlaminar
eingebetteten Inserts auftritt, verhindert werden.
Zusätzlich wurden statische Scherversuche durchgeführt, um auch in diesem
Belastungsfall die Versagensart zu untersuchen. Dabei stellte sich heraus, dass nicht
die Nähte sondern der Insert versagte. Auf Grund des Materialbruchs des Inserts,
sowohl in Zug- als auch in Scherversuchen, wurde in einem weiteren Schritt ein
optimiertes Insert entwickelt. Bei diesem wurde der Sockel in soweit modifiziert, dass
die maximale Versagenslast des Nähgarns ermittelt werden konnte. Dabei stellte
sich heraus, dass Glas-, Kohlenstoff- und Aramidfasern sich nur bedingt als
Verstärkungsgarn zur Fixierung von Inserts eignen. Im Gegensatz dazu sind die
Polyestergarne als ausreichende Verstärkung gut geeignet. Weitere Vorteile des
Polyestergarns sind die niedrigeren Kosten sowie die gute Vernähbarkeit.
Anschließend wurde eine solche Verbindung des Inserts mit einem
Faserverbundwerkstoff mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) simuliert. Dabei
zeigte sich eine gute Übereinstimmung der simulierten Ergebnisse mit denen aus
dem statischen Zugversuch mit dem weiterentwickelten Insert.
Auf Grund der elektrischen Leitfähigkeit von Kohlenstofffasern, können Fäden aus
diesem Material auch als Sensoren zur Überwachung einer Struktur oder Verbindung
eingesetzt werden. Hierfür wurden ebenfalls Untersuchungen durchgeführt. Dabei
konnte mit Hilfe der Änderung des elektrischen Widerstandes auf Schädigungen der
Fasern geschlossen werden. Somit können nicht nur das Bestehen einer
Schädigung, sondern auch der annähernde Ort ermittelt werden. Die
Untersuchungen zeigten somit, dass die Kohlenstofffasern nicht lediglich als
Verstärkung sondern auch als Überwachungssensor bei einem eingebetteten Insert
dienen können.
Im Rahmen aller Untersuchungen konnte das große und vielversprechende Potential
der Nähtechnik bei der Herstellung von Preform-Bauteilen aufgezeigt sowie ein
Einblick in einige von vielen Anwendungsmöglichkeiten gegeben werden.
Background and purpose Inherently, IMRT treatment planning involves compromising between different planning goals. Multi-criteria IMRT planning directly addresses this compromising and thus makes it more systematic. Usually, several plans are computed from which the planner selects the most promising following a certain procedure. Applying Pareto navigation for this selection step simultaneously increases the variety of planning options and eases the identification of the most promising plan. Material and methods Pareto navigation is an interactive multi-criteria optimization method that consists of the two navigation mechanisms “selection” and “restriction”. The former allows the formulation of wishes whereas the latter allows the exclusion of unwanted plans. They are realized as optimization problems on the so-called plan bundle – a set constructed from precomputed plans. They can be approximately reformulated so that their solution time is a small fraction of a second. Thus, the user can be provided with immediate feedback regarding his or her decisions.
Die enorme Nachfrage nach neuartigen Naturstoffen sowie Leitstrukturen für die (Teil-) Synthese pharmazeutischer Produkte verlangt ständig nach neuen Innovationen. Ein bedeutender Impuls ist dabei von der Marinen Biotechnologie zu erwarten, die seit einigen Jahren versucht, die sich bietenden medizinischen Potentiale auszuschöpfen. So können neuartige Wirkstoffe bzw. die für deren Produktion verantwortlichen Organismen und Enzyme isoliert und bereitgestellt werden. Häufig ist das Wachstum der Organismen jedoch stark limitiert sowie eine Produktion der Ziel-Metabolite nur unter bestimmten Bedingungen möglich, weshalb ein enormes Interesse an neuen Optimiermethoden zur Lösung des Problems besteht. Neuartige Lösungsansätze sollten daher im Rahmen dieser Arbeit verfolgt werden. Untersucht wurde eine „biochemische“ Wachstums- und Produktionsoptimierung mariner Bakterien durch einen Zusatz von Homoserinlactonen zum Kultivierungsmedium. Dabei konnte neben einem verbesserten Wachstum diverser Prokaryonten eine leichte Variation im Metabolitspektrum ermittelt sowie eine geringfügig erhöhte Produktion biologisch aktiver Substanzen detektiert werden. Soll das Wachstum von (marinen) Mikroorganismen optimiert werden, wird vom Anwender häufig eine unstrukturierte one-factor-at-a-time-Methode angewendet. Da diese in der Regel keine Beeinflussung der zu optimierenden variablen Parameter beachtet, wurden in dieser Arbeit alternativ rechnergestützte Optimierungen zur Umgehung dieses Problems durchgeführt. Zum Einsatz kam dabei eine Kombination aus einem Genetischen Algorithmus, welcher die Identifikation des globalen Optimums erlaubt und einem Simplex-Algorithmus, der zur Verfeinerung des bereits aufgefundenen Optimums dient. Hiermit konnte die Produktion einer marinen L-Serindehydratase im Rahmen einer Nährmediumsoptimierung um mehr als 50 % im Vergleich zum Referenzmedium gesteigert werden. Des Weiteren wurde ein im Polyketidscreening positiv aufgefallenes Bakterium (Halomonas marina) als Modellorganismus für ein neuartiges rechnergestütztes Verfahren eingesetzt, welches eine schnelle Identifizierung der Güte von Wachstumsparametern erlaubt und dabei eine repetitiv geführte Batch-Betriebsweise von Bioreaktoren nutzt. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Charakterisierung einer rekombinant exprimierten Tryptophan-5-Halogenase. Hierbei konnte nach der Identifizierung des Aktivitätsoptimums hinsichtlich des einzustellenden pH-Werts sowie der Temperatur die Halbwertszeit des Enzyms bei verschiedenen Temperaturen bestimmt und mittels 2 D-Gelelektrophorese der pI-Wert des Enzyms erstmalig determiniert werden. Ein Fokus dieser Untersuchungen lag auf der Optimierung der Enzymkinetik. Dabei konnte insgesamt eine Verbesserung der Ausbeute um den Faktor 1,6 erzielt werden.
Nonlinear diffusion filtering of images using the topological gradient approach to edges detection
(2007)
In this thesis, the problem of nonlinear diffusion filtering of gray-scale images is theoretically and numerically investigated. In the first part of the thesis, we derive the topological asymptotic expansion of the Mumford-Shah like functional. We show that the dominant term of this expansion can be regarded as a criterion to edges detection in an image. In the numerical part, we propose the finite volume discretization for the Catté et al. and the Weickert diffusion filter models. The proposed discretization is based on the integro-interpolation method introduced by Samarskii. The numerical schemes are derived for the case of uniform and nonuniform cell-centered grids of the computational domain \(\Omega \subset \mathbb{R}^2\). In order to generate a nonuniform grid, the adaptive coarsening technique is proposed.
Indirubin wurde als aktive Komponente einer aus der traditionellen chinesischen Medizin stammenden Wirkstoffmischung namens Danggui Longhui Wan identifiziert, welche sich unter anderem als ein wirksames Mittel gegen chronisch myeloische Leukämie (CML) erwiesen hat. Erste Untersuchungen zum Wirkmechanismus zeigten, dass es sich bei Indirubin und dessen Derivaten um potente Inhibitoren cyclin-abhängiger Kinasen (CDKs) handelt. Diese Enzyme spielen eine essentielle Rolle bei der Regulation des Zellzyklus’, welche bei Tumorzellen meist außer Kontrolle ist. Inkubation verschiedener Tumorzellen (u.a. MCF-7) mit dem Derivat Indirubin-3’-oxim führte zu einem konzentrationsabhängigen Zellzyklus-Arrest bei G1/S bzw. G2/M. Diese Beobachtungen machen Indirubin und dessen Derivate für einen eventuellen Einsatz als Tumortherapeutikum interessant. Für die Verwendung als Tumortherapeutikum erweist sich die geringe Wasserlöslichkeit und die damit einhergehende geringe Bioverfügbarkeit des Indirubins und vieler seiner Derivate als nachteilig. Im Rahmen dieser Arbeit sollte das Molekülgerüst des Indirubins durch das Einbringen geeigneter Substituenten so modifiziert werden, dass eine höhere Wasserlöslichkeit bei gleichzeitig starker inhibitorischer Wirkung auf CDKs (untersucht am CDK2/Cyc E Komplex) und starker Cytotoxizität (untersucht mittels SRB-Test an der MCF-7 Tumorzellinie) erzielt wird. Bei den dafür verwendeten Substituenten handelt es sich vorwiegend um ein- oder mehrfach hydroxylierte Alkylgruppen oder um ionische Gruppen wie die Carbonsäuregruppe, die an den Positionen 3’ bzw. 5 des Indirubinmoleküls eingeführt werden. Ergebnisse: Durch das Einführen hydroxylierter Alkyl-Substituenten in Position 3’ des Indirubingrundgerüstes konnte die Wasserlöslichkeit der entstandenen Derivate im Vergleich zum Indirubuin etwa 10- bis 50-fach erhöht werden (1 bis 5 mg/ml im Vergleich zu 0,1 mg/ml). Das Einführen einer Carboxygruppe in Position 5 (5-Carboxyindiruin, E810) führt zu einer noch höheren Wasserlöslichkeit von 41 mg/ml. Die inhibitorische Aktivität auf den CDK2/Cyc E Komplex einiger der synthetisierten Derivate liegt mit etwa 0,2 µM unter dem entsprechenden IC50-Wert des Indirubins (etwa 7 µM), und auch die Cytotoxizität liegt bei einigen Derivaten mit IC50-Werten von 0,1 bis 0,9 µM unter dem IC50-Wert von Indirubin (4 µM).
In this thesis, the quasi-static Biot poroelasticity system in bounded multilayered domains in one and three dimensions is studied. In more detail, in the one-dimensional case, a finite volume discretization for the Biot system with discontinuous coefficients is derived. The discretization results in a difference scheme with harmonic averaging of the coefficients. Detailed theoretical analysis of the obtained discrete model is performed. Error estimates, which establish convergence rates for both primary as well as flux unknowns are derived. Besides, modified and more accurate discretizations, which can be applied when the interface position coincides with a grid node, are obtained. These discretizations yield second order convergence of the fluxes of the problem. Finally, the solver for the solution of the produced system of linear equations is developed and extensively tested. A number of numerical experiments, which confirm the theoretical considerations are performed. In the three-dimensional case, the finite volume discretization of the system involves construction of special interpolating polynomials in the dual volumes. These polynomials are derived so that they satisfy the same continuity conditions across the interface, as the original system of PDEs. This technique allows to obtain such a difference scheme, which provides accurate computation of the primary as well as of the flux unknowns, including the points adjacent to the interface. Numerical experiments, based on the obtained discretization, show second order convergence for auxiliary problems with known analytical solutions. A multigrid solver, which incorporates the features of the discrete model, is developed in order to solve efficiently the linear system, produced by the finite volume discretization of the three-dimensional problem. The crucial point is to derive problem-dependent restriction and prolongation operators. Such operators are a well-known remedy for the scalar PDEs with discontinuous coefficients. Here, these operators are derived for the system of PDEs, taking into account interdependence of different unknowns within the system. In the derivation, the interpolating polynomials from the finite volume discretization are employed again, linking thus the discretization and the solution processes. The developed multigrid solver is tested on several model problems. Numerical experiments show that, due to the proper problem-dependent intergrid transfer, the multigrid solver is robust with respect to the discontinuities of the coefficients of the system. In the end, the poroelasticity system with discontinuous coefficients is used to model a real problem. The Biot model, describing this problem, is treated numerically, i.e., discretized by the developed finite volume techniques and then solved by the constructed multigrid solver. Physical characteristics of the process, such as displacement of the skeleton, pressure of the fluid, components of the stress tensor, are calculated and then presented at certain cross-sections.
Zwölf Testpflanzen des Weinbauinstituts Freiburg wurden auf deren Resistenzeigenschaften gegenüber dem Virusvektor Xiphinema index und dem GFLV getestet. Das Hauptziel dieser Arbeit lag in der Entwicklung eines in-vitro-Testsystems für Reben, das detaillierte Einblicke in das Wurzel-Nematoden-System erlaubt. Anhand dieses in-vitro-Testsystems konnten zwei unterschiedliche Reaktionen der Wurzeln dieser Testreben auf die Saugtätigkeit der Nematoden festgestellt werden. Es konnte sowohl eine Gallenbildung als auch eine Nekrosenbildung bei den unterschiedlichen Kreuzungen der Testpflanzen beobachtet werden. Alle Testpflanzen aus verschiedenen Kreuzungen zeigten eine Abwehrreaktion gegenüber den Nematoden. Dies resultierte in Auftreten von Transkripten der Phenylalanin-Ammonium-Lyase (PAL) und der Bildung von Superoxid-Radikalen. Bei zwei V. rotundifolia-Hybriden war zusätzlich die Callose-Synthase aktiv und es kam außerdem zu einer Callose-Deposition an den betroffenen Stellen im Wurzelgewebe. Bis auf Testpflanze 46, einem V. rotundifolia-Hybrid waren alle getesteten Reben nach vier Wochen Versuchsdauer sensitiv für eine Transmission des GFLV. Dieser Hybrid war an den Wurzeln durch die Saugtätigkeit der Nematoden nekrosenbildend und zeigte eine Callose-Synthase-Aktivität. X. index findet seine Wirtspflanzen durch Chemotaxis. Er orientiert sich anhand von Wurzelexudaten, die von Wurzeln ins Medium abgeben werden. Totes Wurzelgewebe kann der Nematode nicht lokalisieren und stellt keinen Stimulus dar. Bei knappem Nahrungsangebot nutzt der Nematode vorhandene Nahrungsressourcen aller Rebsorten mit verschiedenster Beschaffenheit. Mit dem Pflanzenhormon Methyljasmonat behandelte Wurzeln wurden gezielt gemieden. Zwei mit dem GFLV infizierte Rebflächen an verschiedenen Standorten zeigten innerhalb dreijähriger Beobachtung eine Zunahme von virustragenden Rebstöcken. Ein Hinweis auf die Verbreitung durch virusübertragende Nematoden konnte durch Bodenproben bisher nicht bestätigt werden.
This paper presents a wavelet analysis of temporal and spatial variations of the Earth's gravitational potential based on tensor product wavelets. The time--space wavelet concept is realized by combining Legendre wavelets for the time domain and spherical wavelets for the space domain. In consequence, a multiresolution analysis for both, temporal and spatial resolution, is formulated within a unified concept. The method is then numerically realized by using first synthetically generated data and, finally, several real data sets.
Sewn net-shape preform based composite manufacturing technology is widely
accepted in combination with liquid composite molding technologies for the
manufacturing of fiber reinforced polymer composites. The development of threedimensional
dry fibrous reinforcement structures containing desired fiber orientation
and volume fraction before the resin infusion is based on the predefined preforming
processes. Various preform manufacturing aspects influence the overall composite
manufacturing processes. Sewing technology used for the preform manufacturing
has number of challenges to overcome which includes consistency in preform quality,
composite quality, and composite mechanical properties.
Experimental studies are undertaken to investigate the influence of various sewing
parameters on the preform manufacturing processes, preform quality, and the fiber
reinforced polymer composite quality and properties. Sewing thread, sewing machine
parameters, shortcomings of sewing process, and remedies are explained according
to their importance during preforming and liquid composite molding. The stitches and
fiber free zone in the form of ellipse that are generated in the thickness direction were
investigated by evaluating the laminate micrographs. Correlation between ellipse
formation phenomenon, sewing thread, and sewing machine parameters is
established. A statistical tool, analysis of variance, was used to emphasize the major
preform processing factors influencing the preform imperfections.
For assessing the preform quality, the observations of sewing thread requirements
for preform and structural sewing were well documented during the experimental
studies and explained according to their significance in the composite processing.
Furthermore, selection criteria for sewing thread according to end application are
discussed in detail. Investigations on polyester sewing thread as a high speed
preform manufacturing element are also performed. Applicability of polyester sewing
thread for the preform sewing and challenges to be overcome for its extensive
utilization in the composite components are explained. Apart from this, influence of
physical structure of sewing thread on the laminate quality and properties are
explained and relationship between them is discussed in brief. Furthermore,
challenges caused due to applied spin-finishes and sizing and remedies for the same
are discussed. Sewing threads made of high performance fibers that are available in the market,
e.g., carbon, glass, and Zylon are studied for effect of thread material on through-thethickness
laminate properties. Threads made up of carbon or glass fibers are very
rigid and produces number of defects, which is a major cause of concern. Optimized
sewing procedure has been implemented to minimize the in-plane and through-thethickness
imperfections and to improve mechanical properties and surface
characteristics of composite laminate.
Preform sewing process and final ready to impregnate preforms were analyzed for
quality appearance. The sewing defects and their influence on composite structure
are monitored. Preform compressibility before and after the sewing operations are
intensively studied and correlation with sewing parameters is developed. Influence of
sewing process parameters on the warpage and change in preform area weight are
also explained in detail. Results of analytical experiments can help to improve further
exploitation of sewn preforms for composite manufacturing and overall preform and
laminate quality.