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Stop Location Design in Public Transportation Networks: Covering and Accessibility Objectives
(2006)
In StopLoc we consider the location of new stops along the edges of an existing public transportation network. Examples of StopLoc include the location of bus stops along some given bus routes or of railway stations along the tracks in a railway system. In order to measure the ''convenience'' of the location decision for potential customers in given demand facilities, two objectives are proposed. In the first one, we give an upper bound on reaching a closest station from any of the demand facilities and minimize the number of stations. In the second objective, we fix the number of new stations and minimize the sum of the distances between demand facilities and stations. The resulting two problems CovStopLoc and AccessStopLoc are solved by a reduction to a classical set covering and a restricted location problem, respectively. We implement the general ideas in two different environments - the plane, where demand facilities are represented by coordinates and in networks, where they are nodes of a graph.
Nowadays piezoelectric and ferroelectric materials are becoming more and more an interesting part of smart materials in scientific and engineering applications. Precision machining in manufacturing, micropositioning in metrology, common rail systems with piezo fuel injection control in automobile industry, and ferroelectric random access memories (FRAM) in microelectromechanical systems (MEMS) besides commercial piezo actuators and sensors can be very good examples for the application of piezoceramic and ferroelectric materials. In spite of having good characteristics, piezoelectric and ferroelectric materials have significant nonlinearities, which limit the applications in high performance usage. Domain switching (ferroelastic or ferroelectric) is the main reason for the nonlinearity of ferroelectric materials. External excessive electromechanical loads (mechanical stress and electric field) are driving forces for domain switching. In literature, various important experiments related to the non-linear properties of piezoelectric and ferroelectric materials are reported. Simulations of nonlinear properties of piezoelectric and ferroelectric materials based on physical insights of the material have been performed during the last two decades by using micromechanical and phenomenological models. The most significant experiments and models are deeply discussed in the literature survey. In this thesis the nonlinear behaviour of tetragonal perovskite type piezoceramic materials is simulated theoretically using two and three dimensional micromechanical models which are based on physical insights of the material. In the simulations a bulk piezoceramic material which has numerous grains is considered. Each grain has random orientation in properties of polarization and strain. Randomness of orientations is given by Euler angles equally distributed between \(0\) and \(2\pi\). Each element in the micromechanical model has been assumed to have the same properties of the real piezoelectric grain. In the first part of the simulations, quasi-static characteristics of piezoelectric materials are investigated by applying cyclic, rate independent, bipolar, uni-axial and external electrical loading with an amplitude of 2 kV/mm gradually starting from zero value in virgin state. Moreover, the simulations are undertaken for these materials which are subjected to quasi-static, uni-polar, uni-axial mechanical stress, namely compressive stress. The calculations are performed at each element based on linear constitutive equations, nonlinear domain switching and a probability theory for domain switching. In order to fit the simulations to the experimental data, some parameters such as spontaneous polarization, spontaneous strain, piezoelectric and dielectric constants are chosen from literature. The domain switching of each grain is determined by an electromechanical energy criterion. Depending on the actual energy related to a critical energy a certain probability is introduced for domain switching of the polarization direction. Same energy levels are assumed in the electromechanical energy relation for different types of domain switching like 90º and 180º for perovskite type tetragonal or 70.5º and 109.5º for rhombohedral microstructures. It is assumed that intergranular effects between grains can be modelled by such probability functions phenomenologically. The macroscopic response of the material to the applied electromechanical loading is calculated by using Euler transformations and averaging the individual grains. Properties of piezoelectric materials under fixed mechanical stresses are also investigated by applying constant compressive stress in addition to cyclic electrical loading in the simulations. Compressive stress is applied and kept constant before cyclic bipolar electrical loading is implemented. In the following chapters, a three-dimensional micromechanical model is extended for the simulation of the rate dependent properties of certain perovskite type tetragonal piezoelectric materials. The frequency dependent micromechanical model is now not only based on linear constitutive and nonlinear domain switching but also linear kinetics theories. The material is loaded both electrically and mechanically in separate manner with an alternating electrical voltage and mechanical stress values of various moderate frequencies, which are in the order of 0.01 Hz to 1 Hz. Electromechanical energy equation in combination with a probability function is again used to determine the onset of the domain switching inside the grains. The propagation of the domain wall during the domain switching process in grains is modelled by means of linear kinetics relations after a new domain nucleates. Electric displacement versus electric field hysteresis loops, mechanical strain versus mechanical stress and electric displacement versus mechanical stress for different frequencies and amplitudes of the alternating electric fields and compressive stresses are simulated and presented. A simple micromechanical model without using probabilistic approach is compared with the one that takes it into account. Both models give important insights into the rate dependency of piezoelectric materials, which was observed in some experiments reported in the literature. Intergranular effects are other significant factors for nonlinearities of polycrystalline ferroelectric materials. Even piezoelectric actuators and sensors show nonlinearities when they are operated with electrical loading, which is much lower than the coercive electric field level. Intergranular effects are the main cause of such small hysteresis loops. In the corresponding chapter, two basic field effects which are electrical and mechanical are taken into account for the consideration of intergranular effects micromechanically in the simulations of the two dimensional model. Therefore, a new electromechanical energy equation for the threshold of domain switching is introduced to explain nonlinearities stemming from both domain switching and intergranular effects. The material parameters like coercive electric field and critical spontaneous polarization or strain quantities are not implemented in the electromechanical energy relation. But, this relation contains new parameters which consider both mechanical and electrical field characteristics of neighbouring elements. By using this new model, mechanical strain versus electric field butterfly curves under small electrical loading conditions are also simulated. Hence, a rate dependent concept is applied in butterfly curves by means of linear kinetics model. As a result, the simulations have better matching with corresponding experiments in literature. In the next step, the model can be extended in three dimensional case and the parameters of electromechanical energy relation can be improved in order to get better simulations of nonlinear properties of polycrystalline piezoelectric materials.
Regenüberlaufbecken (RÜB) sind wichtige Bauwerke in Entwässerungsnetzen nach dem Mischverfahren. Sie tragen durch ihre Rückhaltewirkung dazu bei, den Schmutzaustrag in die Gewässer zu vermindern und die nachfolgende Kläranlage während der Niederschlagsereignisse zu entlasten. Obwohl nach einheitlichen Richtlinien bemessene Regenüberlaufbecken in großer An-zahl in Deutschland in Betrieb sind, ist über die Wirkung dieser recht teuren Bauwerke noch sehr wenig bekannt. Das gilt auch für alternative Anlagen wie hydrodynamische Abscheider und Kombinationsbauwerke, die in den letzten Jahren gebaut worden sind. Hier knüpft die vorliegende Arbeit an, deren Ziel es war, die Wirkung eines Kombinati-onsbauwerks in Bexbach/Rothmühle, bestehend aus Durchlaufbecken im Nebenschluss und zwei parallel beschickten hydrodynamischen Abscheidern als Trennbauwerke, zu untersuchen und modelltechnisch nachzubilden. Am Anfang der Arbeit steht ein Exkurs über Anlagen der Regenwasserbehandlung im Mischsystem und Faktoren, die für deren Reinigungswirkung maßgebend sind. Es wer-den die Grundlagen der Sedimentation und Ansätze zur Bilanzierung von Wirkungsgrad und Effektivität behandelt. Die Bedeutung des Bilanzierungszeitraums wird herausgestellt. Anschließend werden die Randbedingungen für die Untersuchungen des RÜB Bex-bach/Rothmühle sowie die Konzeption und der Betrieb des Bauwerks erläutert. Um die Wirkungsweise des Bauwerks zu ermitteln, wurden umfangreiche Messungen der Abflussquantität und -qualität an verschiedenen Punkten des Bauwerks durchgeführt. Die gemessenen Daten dienten dann als Grundlage zur Bestimmung der Wir-kungsgrade und Effektivitäten der einzelnen Anlagenteile sowie der Gesamtanlage für einige Entlastungsereignisse. Die Ergebnisse der Auswertungen über die Reinigungswirkung wurden mit den Resultaten ähnlicher Untersuchungen an anderen Anlagen verglichen und es wurde eine qualitative Wertung des untersuchten Bauwerks vorgenom-men. Im nächsten Schritt wurden sowohl die Ergebnisse der Untersuchungen als auch eines Tracerversuchs dazu genutzt, ein MATLAB/SIMULINK-Modell zur Nachbildung der Reinigungsvorgänge zu entwickeln. Durch die Verknüpfung dieses Modells mit dem Schmutzfrachtmodell WKosmoCOM gelang es, das Langzeitverhalten des Kombinati-onsbauwerks zu untersuchen. In einer vergleichenden Betrachtung der langfristigen Entlastungstätigkeit der unter-suchten Anlage mit der eines fiktiven Durchlaufbeckens im Nebenschluss herkömmli-cher Bauart wurde abgeschätzt, ob Speichervolumen durch den Einsatz der Kombinati-on von Wirbelabscheider und Durchlaufbecken eingespart werden kann. Die angesetzte Reinigungswirkung des fiktiven Durchlaufbeckens orientierte sich dabei an derjenigen, die für die Durchlaufbeckenstufe des untersuchten Bauwerks festgestellt wurde zuzüglich eines Aufschlags zur Verbesserung der Rückhaltewirkung. In mehreren Simulationsläufen auf der Basis des MATLAB/SIMULINK-Modells, gekoppelt mit dem Schmutzfrachtmodell WKosmoCOM, wurde das Volumen des fiktiven Beckens variiert, bis die Rückhaltewirkung der des realen Beckens entsprach. Der aus dem Vergleich resultierende Volumenunterschied ist ein Maß für das Einsparpotenzial. Die Simulationen erga-ben, dass die Reinigungswirkung des untersuchten Kombinationsbauwerks durch ein herkömmliches Durchlaufbecken erreicht wird, dessen Speichervolumen um etwa 17% größer ist.
Ownership Domains generalize ownership types. They support programming patterns like iterators that are not possible with ordinary ownership types. However, they are still too restrictive for cases in which an object X wants to access the public domains of an arbitrary number of other objects, which often happens in observer scenarios. To overcome this restriction, we developed so-called loose domains which abstract over several precise domains. That is, similar to the relation between supertypes and subtypes we have a relation between loose and precise domains. In addition, we simplified ownership domains by reducing the number of domains per object to two and hard-wiring the access permissions between domains. We formalized the resulting type system for an OO core language and proved type soundness and a fundamental accessibility property.
This work deals with the mathematical modeling and numerical simulation of the dynamics of a curved inertial viscous Newtonian fiber, which is practically applicable to the description of centrifugal spinning processes of glass wool. Neglecting surface tension and temperature dependence, the fiber flow is modeled as a three-dimensional free boundary value problem via instationary incompressible Navier-Stokes equations. From regular asymptotic expansions in powers of the slenderness parameter leading-order balance laws for mass (cross-section) and momentum are derived that combine the unrestricted motion of the fiber center-line with the inner viscous transport. The physically reasonable form of the one-dimensional fiber model results thereby from the introduction of the intrinsic velocity that characterizes the convective terms. For the numerical simulation of the derived model a finite volume code is developed. The results of the numerical scheme for high Reynolds numbers are validated by comparing them with the analytical solution of the inviscid problem. Moreover, the influence of parameters, like viscosity and rotation on the fiber dynamics are investigated. Finally, an application based on industrial data is performed.
Die vorliegende Arbeit stellt die Ergebnisse vor, die unter Einsatz von optischer Molekülspektroskopie und quantenchemischen Berechnungen von Merocyanin-Dimeraggregaten erzielt wurden. Mit Hilfe der UV/Vis-Spektroskopie konnten aus der Vielzahl der zur Verfügung stehenden Farbstoffe diejenigen mit ausgeprägter Aggregationsneigung identifiziert werden. Für neun positiv getestete Verbindungen wurden konzentrations- und temperaturabhängige UV/Vis-Spektren aufgenommen. Die Auswertung gelang dabei mit einem selbst entwickelten Algorithmus, der neben der Aggregationskonstante auch die reinen Spektren von Monomer und Dimer berechnet. Für eine Serie von acht neuen Merocyaninen wurde eine umfassende Charakterisierung der elektrooptischen Eigenschaften vorgestellt und die Ergebnisse im Hinblick auf deren Anwendung diskutiert. Für zwei weitere Farbstoffe konnte eine Beeinflussung der Dimerisierung durch ein äußeres elektrisches Feld frei von Diskrepanzen bestätigt werden. Implikationen der beobachteten Befunde auf das Design photonischer Materialien mit exzitonisch gekoppelten Dimeren wurden besprochen. Durch die stationären und dynamischen Fluoreszenzmessungen konnte das bislang nur für einen Farbstoff bekannte Phänomen der Emission von H-Typ Dimeren an drei weiteren Merocyaninen nachgewiesen werden. Es gelang eine präzise spektrale Trennung der Teilbeiträge von Monomer und Dimer in Absorption sowie Emission vorzunehmen und damit erstmals den von Kasha[1] 1965 vorhergesagten Relaxationskanal für H-Typ Aggregate in allen Details quantitativ zu belegen. Durch quantenchemische Berechnungen auf MP2-Niveau konnte die Geometrie von sechs Monomeren und Dimeren optimiert und mit Hilfe experimenteller Strukturinformationen verifiziert werden. Auf Basis dieser Geometrien wurden essentielle Eigenschaften vom elektronischen Grund- und Anregungszustand berechnet und damit Übereinstimmungen und Unterschiede zu den Experimenten aufgezeigt. Weiterhin wurde eine Möglichkeit zur Vorhersage der Aggregationsneigung für einen gegebenen Strukturtyp alleine auf Grundlage von quantenchemischen Ergebnissen vorgestellt. Im Hinblick auf die grundlegenden Triebkräfte der Aggregation ergab die Analyse, dass die Dimerisierung im Wesentlichen auf elektrostatischen Dipol-Dipol- und Dispersionswechselwirkungen beruht, daneben aber auch von der Topologie der Chromophore abhängige lokale Wechselwirkungen einen Beitrag leisten.
Discontinuities can appear in different fields of mechanics. Some examples where discontinuities arise are more obvious such as the formation of cracks. Other sources of discontinuities are less apparent such as interfaces between different materials. Furthermore continuous fields with steep gradients can also be considered as discontinuous fields. This work aims at the inclusion of arbitrary discontinuities within the finite element method. Although the finite element method is the most sophisticated numerical tool in modern engineering, the inclusion of discontinuities is still a challenging task. Traditionally within finite the framework of FE methods discontinuities are modeled explicitely by the construction of the mesh. Thus, when a fixed mesh is used, the position of the discontinuity is prescribed by the location of interelement boundaries and not by the physical situation. The simulation of crack growth requires a frequent adaption of the mesh and that can be a difficult and computationally expensive task. Thus a more flexible numerical approach is needed which leads to the mesh-independent representation of the discontinuity. A challenging field where the accurate description of discontinuities is of vital importance is the modeling of failure in engineering materials. The load capacity of a structure is limited by the material strength. If the load limit is exceeded failure zones arise and increase. Representative examples of failure mechanisms are are cracks in brittle materials or shear bands in metals or soils. Failure processes are often accompanied by a strain softening material behaviour (decreasing load carrying capacity with increasing strain at a material point). It is known that the inclusion of strain softening material behaviour within a continuum description requires regularization techniques to preserve the well- posedness of the governing equations. One possibility is the consideration of non-local or gradient terms in the constitutive equations but these approaches require a sufficiently fine discretization in the localization zone, which leads to a high numerical effort. If the extent of the failure zone and the failure process to the point of the development of discrete cracks is considered it seems reasonable to include strong discontinuities. In the framework of fracture mechanics the inclusion of displacement jumps is intuitively comprehensible. However, the modeling of localized failure processes demands the consideration of inelastic material behaviour. Cohesive zone models represent an approach which is especially suited for the incorporation within the finite element framework. It is supposed that cohesive tractions are transmitted between the discontinuity surfaces. These tractions are constitutively prescribed by a phenomenological traction separation law and thus allow for the modeling of different inelastic mechanisms, like micro-crack evolution, initiation of voids, plastic flow or crack bridging. The incorporation of a displacement discontinuity in combination with a cohesive traction separation law leads to a sound model to describe failure processes and crack propagation. Another area where the existence of discontinuities is not as obvious is the occurence of material interfaces, inclusions or holes. The accurate modeling of such internal interfaces is important to predict the mechanical behaviour of components. The present discontinuity is of different nature: the displacement field is continuous but there is a jump in the strains, which is denoted by the expression weak discontinuity. Usually in FE methods material interfaces are taken into account by the mesh construction. But if the structure exhibits multiple inclusions of complex geometry it can be advantageous if the interface does not have to be meshed. And when we look at at problems where the interface moves with time, e. g. phase transformation, the mesh-independent modeling of the weak discontinuities naturally holds major advantages. The greatest challenge in the modeling of discontinuities is their incorporation into numerical methods. The focus of the present work is the development, analysis and application of a finite element approach to model mesh-independent discontinuities. The method shall be robust and flexible to be applicable to both, strong and weak discontinuities.
Um die in der Automatisierung zunehmenden Anforderungen an Vorschubachsen hinsichtlich Dynamik, Präzision und Wartungsaufwand bei niedriger Bauhöhe und kleiner werdendem Bauvolumen gerecht zu werden, kommen immer mehr Synchron-Linearmotoren in Zahnspulentechnik mit Permanentmagneterregung in Werkzeugmaschinen zum Einsatz. Als hauptsächlicher Vorteil gegenüber der rotierenden Antriebslösung mit Getriebeübersetzung und Kugelrollspindel wird die direkte Kraftübertragung ohne Bewegungswandler genannt. Der Übergang vom konventionellen linearen Antriebssystem zum Direktantriebssystem eröffnet dem Werkzeugmaschinenherstellern und den Industrieanwendungen eine Vielzahl neuer Möglichkeiten durch beeindruckende Verfahrgeschwindigkeit und hohes Beschleunigungsvermögen sowie Positionier- und Wiederholgenauigkeit und bietet darüber hinaus die Chance zu einer weiteren Produktivitäts- und Qualitätssteigerung. Um alle dieser Vorteile ausnutzen zu können, muss der Antrieb zuerst hinsichtlich der für Linearmotoren typisch Kraftwelligkeit optimiert werden. Die Suche nach wirtschaftlichen und praxistauglichen Gegenmaßnahmen ist ein aktuelles Forschungsthema in der Antriebstechnik. In der vorliegenden Arbeit werden die Kraftschwankungen infolge Nutung, Endeffekt und elektrischer Durchflutung in PM-Synchron-Linearmotor rechnerisch und messtechnisch untersucht. Ursachen und Eigenschaften der Kraftwelligkeit werden beschrieben und Einflussparameter aufgezeigt. Es besteht die Möglichkeit, die Kraftwelligkeit durch bestimmte Maßnahmen zu beeinflussen, z. B. mit Hilfe des Kraftwelligkeitsausgleichs bestehend aus ferromagnetischem Material oder durch gegenseitigen Ausgleich mehrerer zusammengekoppelter Primärteile. Wie die Untersuchungen gezeigt haben, ist eine Abstimmung der Einflussparameter auf analytischem Weg kaum möglich, in der Praxis führt das auf eine experimentell-iterative Optimierung mit FEM-Unterstützung. Die gute Übereinstimmung zwischen Messung und Simulation bietet einen klaren Hinweis, dass die hier vorgestellten Maßnahmen als geeignet angesehen werden können, sie ermöglichen eine Kraftwelligkeitsreduzierung von ursprünglichen 3-5% bis auf 1%, wobei eine leichte Herabsetzung der Kraftdichte in Kauf genommen werden muss. Beim Maschinenentwurf muss rechtzeitig ermittelt werden, welches Kompensationsverfahren günstig ist bezüglich der vorgesehenen Anwendungen.
Die Arbeit stellt die wissenschaftliche Aufbereitung von 6 Jahren Beratungsarbeit im Rahmen des von der Gesellschaft für technische Zusammenarbeit (GTZ) durchgeführten Projektes „Landmanagement Georgien“ zum Aufbau eines marktwirtschaftlichen Städtebau- und Raumordnungssystems in Georgien dar. Dabei geht es um die grundsätzliche Durchdringung eines komplexen Themenfeldes und den grundlegenden Aufbau einer bislang von westlicher Seite fehlenden Wissenschaftsbasis. In Georgien begannen die Privatisierungen im Jahr 1992: Wohnungen wurden verschenkt, Betriebe (bislang rund 20 Tausend) und sonstige Grundstücke werden verkauft bzw. versteigert. 1994 begann modellhaft für die Hauptstadt Tbilisi die Erstellung von Grundbuch/Kataster, d.h. der Aufbau eines öffentlichen Eigentumssicherungssystems für privaten Grundbesitz. Daher gilt es insbesondere für die bauliche und sonstige Nutzung von privaten Grundstücken verbindliche Spielregeln zu finden. Die Ausführungen konzentrieren sich vom Zielansatz folglich auf das in Georgien unbedingt erforderliche Spektrum von rechtsverbindlichen Mindestvereinbarungen in Form von Gesetzen, Verfahren sowie weichen und harten Instrumenten zur Steuerung der baulichen und gestaltungsrelevanten Bodennutzung im Sinne eines geordneten Städtebaus. Innerhalb dieser Schwerpunktsetzung, d.h. der Auseinandersetzung mit vorhandenen und zu schaffenden städtebaulichen (Rechts)Grundlagen, werden die Schnittstellen und Wechselwirkungen zur Raumordnung sowie zu politischen und administrativen Strukturen aufgezeigt, aber nicht vertieft. Eine Betrachtung des sowjetischen Planungssystems, bei dem es letztendlich auf allen Ebenen nur um die Verwirklichung staatlicher Großprojekte zur Steigerung der volkswirtschaftlichen Bilanz ging, sollen einerseits das schwierige psychische und physiognomische Erbe im Städtebau offen legen und andererseits die Dimension notwendiger Veränderungen bei den Transformationsprozessen verdeutlichen. Anhand einer zielorientierten Beschäftigung mit örtlichen Planungssystemen/-instrumenten in den Ländern Deutschland, Frankreich, Schweiz und Tschechien wird der Frage nachgegangen, welche zentralen Regelungen in der Marktwirtschaft für einen geordneten Städtebau unerlässlich sind. Damit werden generelle Maßstäbe und Leitlinien definiert, die bei der Transformation auf das georgische System kritisch hinterfragt und angepasst werden. Der räumliche Schwerpunkt bildet die Hauptstadt Tbilisi als dominantes Zentrum baulicher Aktivitäten. Darüber hinaus werden die Städte Kutaisi, Gori und Signaghi, jeweils stellvertretend für bestimmte Siedlungstypen/-größen betrachtet. Die Ergebnisse zeigen, dass sich der Städtebau in Georgien am Scheideweg befindet. Gesetze sind trotz formaler und inhaltlicher Schwächen vorhanden und leistungsfähig. Jetzt geht es um die Anwendung, eine bedarfsorientierte Instrumentalisierung und vor allem die Beachtung. Eine weitere, enorm wichtige Aufgabe stellt in diesem Zusammenhang die Festigung von Strukturen bei der Wahrnehmung von Planungsabläufen dar. Denn im Sozialismus gab es nur eindimensionale Entscheidungsstrukturen. Heute bestehen vielschichtige Strukturen und Möglichkeiten bei der Abwicklung von Planungsaufgaben. Aber trotz des vielfältigen Handlungsbedarfs konnte im Vergleich zu den benachbarten Kaukasusrepubliken Armenien und Aserbaidschan in Georgien viel erreicht werden. Die Arbeit kann dazu beitragen, die städtebaulichen Prozesse in Georgien scharfkantiger und zielgenauer zu führen. Anderen postsowjetischen Ländern kann sie als Leitfaden bei der Transformation der räumlichen Planungssysteme dienen. Darin liegt ein bedeutender Mehrwert.
Vor dem Hintergrund anstehender Reformen der Lehramtsstudiengänge schätzten 233 erfahrene Lehrkräfte die Relevanz psychologischer Themen für das Lehramtsstudium und die Weiterbildung von Lehrerinnen und Lehrern in einer Fragenbogenstudie ein. Die Themensammlung basierte auf dem von der Deutschen Gesellschaft für Psychologie vorgeschlagenen Rahmencurriculum. Die Ergebnisse zeigen eine themenspezifische Variation der Relevanzurteile: So wurde eher handlungsrelevanten Themen wie „Intervention und Beratung“ Vorrang vor vermeintlich theorieorientierten Inhalten, wie „Entwicklungspsychologische Grundlagen“ gegeben. Hierbei zeigten sich schulart- und dienstalterabhängige Urteilsunterschiede. Auch Themen, die die Schule als Organisation betreffen (z. B. Qualitäts¬sicherung) wurden als weniger relevant bewertet. Die Ergebnisse werden hinsichtlich ihrer Implikationen für die Vermittlung psychologischen Wissens in den neuen Lehramtsstudiengängen diskutiert.