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Distributed Optimization of Constraint-Coupled Systems via Approximations of the Dual Function
(2024)
This thesis deals with the distributed optimization of constraint-coupled systems. This problem class is often encountered in systems consisting of multiple individual subsystems, which are coupled through shared limited resources. The goal is to optimize each subsystem in a distributed manner while still ensuring that system-wide constraints are satisfied. By introducing dual variables for the system-wide constraints the system-wide problem can be decomposed into individual subproblems. These resulting subproblems can then be coordinated by iteratively adapting the dual variables. This thesis presents two new algorithms that exploit the properties of the dual optimization problem. Both algorithms compute a quadratic surrogate function of the dual function in each iteration, which is optimized to adapt the dual variables. The Quadratically Approximated Dual Ascent (QADA) algorithm computes the surrogate function by solving a regression problem, while the Quasi-Newton Dual Ascent (QNDA) algorithm updates the surrogate function iteratively via a quasi-Newton scheme. Both algorithms employ cutting planes to take the nonsmoothness of the dual function into account. The proposed algorithms are compared to algorithms from the literature on a large number of different benchmark problems, showing superior performance in most cases. In addition to general convex and mixed-integer optimization problems, dual decomposition-based distributed optimization is applied to distributed model predictive control and distributed K-means clustering problems.
Der Sammelband „(Selbst-)Lernkompetenzen Studierender stärken: Unterstützungsangebote – Beratung – Lernräume“ enthält Beiträge von Akteur:innen an deutschen und österreichischen Hochschulen, die auf der Online-Fachtagung „(Selbst-)Lernunterstützung an Hochschulen – wieso noch mal?“ im Oktober 2020 an der Technischen Universität Kaiserslautern (seit 1.1.2023 Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern-Landau) vorgestellt und diskutiert wurden. Ausgerichtet wurde die Tagung vom Projekt „Selbstlernförderung als Grundlage“ (Website: https://www.uni-kl.de/slzprojekt/).
Der Sammelband enthält 26 Beiträge und 18 Poster zu diesen thematischen Schwerpunkten:
I. Übergreifende Überlegungen zur zukunftsfähigen Hochschule
II. (Selbst-)Lernräume – physisch und virtuell
III. Angebote zur Unterstützung von (Selbst-)Lernkompetenzen – fachbezogen oder fächerübergreifend
IV. Beratung – individuell und institutionell.
Didaktische Formate und Unterstützungsstrukturen an deutschen Hochschulen haben sich in den letzten zwei Jahrzehnten vor dem Hintergrund veränderter gesellschaftlicher Bedarfe, neuer Zielgruppen, didaktischer Impulse und politischer Rahmenbedingungen gewandelt. Auf der Fachtagung ebenso wie im vorliegenden Sammelband präsentieren Vertreter:innen unterschiedlicher Hochschulstandorte ihre theoretischen, empirischen und praktischen Erkenntnisse im Hinblick auf Angebotsgestaltung, Wirksamkeit und Akzeptanz von Maßnahmen zur Stärkung der (Selbst-)Lernkompetenzen Studierender.
Die Beiträge geben einen Einblick in die Konzeption und Durchführung von überfachlichen Unterstützungs- und Beratungsangeboten und in die Gestaltung physischer und virtueller Lernräume für Studierende. So werden vielfältige Good Practices vorgestellt, kritisch diskutiert und hinsichtlich der Tragfähigkeit für die Hochschule der Zukunft reflektiert. Hierbei fließen insbesondere die Erfahrungen ein, die im Zuge der Covid-19-Pandemie und der (zeitweisen) Umstellung in den Online- und -Hybrid-Modus an den Hochschulen gemacht wurden. In ihre Ausarbeitung der Beiträge für den vorliegenden Sammelband haben die Autor:innen die neueren Erfahrungswerte aus dem Zeitraum Sommersemester 2020 bis Wintersemester 2021/22 eingearbeitet. Das Zukunftspotenzial der Angebote für Studierende in der Zeit während der Pandemie und in der Zeit des Pandemie-Nachklangs im „New Normal“-Betrieb wird somit kritisch beleuchtet. Dies wird gerahmt durch übergreifende, pädagogische und hochschulstrategische Betrachtungen zum Thema „zukunftsfähige Hochschule“.
Der Sammelband wird herausgegeben von Monika Haberer (Geschäftsführerin des Zentrums für Innovation und Digitalisierung in Studium und Lehre, ZIDiS), Dr. Dorit Günther und Janina Köhler (wissenschaftliche Mitarbeiterinnen des ZIDiS). Website: zidis.rptu.de/
The Influence of Case and Word Order in Child and Adult
Processing of Relative Clauses in Greek
(2022)
Previous cross-linguistic studies have shown that object relative clauses (ORCs) are typically harder to parse than subject relative clauses (SRCs). The cause of difficulty, however, is still under debate, both in the adult and in the developmental literature. The present study investigates the on-line processing of SRCs and ORCs in Greek-speaking 11- to 12-year-old children and adults, and provides evidence on relative clause processing in Greek—a free word order language. We conducted a self-paced listening task in which we manipulated the type of relative clause (SRC vs. ORC), the RC internal word order (canonical vs. scrambled), and the type of relativizer (relative pronoun vs. complementizer). The results showed that SRCs were overall processed faster than ORCs, providing evidence that children follow similar processing strategies to adults. In addition, accusative case marking facilitated the processing of non-canonical structures in adults but less so in children. Children showed heavy reliance on word order, as they processed nominative and accusative pre-verbal NPs in exactly the same way, while they were strongly garden-pathed in ORCs with post-verbal nominative NPs. We argue that these results are compatible with the Competition Model.
Grinding is one of the effective manufacturing processes with which to produce highly accurate parts with an ultra-fine surface finish. The tool used to remove materials in grinding is called the grinding wheel. Abrasive grains made of extremely hard materials (alumina, silica, cubic boron nitride, and diamond) having a definite grit size but a random shape are bonded on the circumferential surface of the grinding wheel. The fabrication process is controlled so that the wheel exhibits a prescribed structure (in the scale of soft to hard). At the same time, the distribution of grains must follow a prescribed grade (in the scale of dense to open). After the fabrication, the wheel is dressed to make sure of its material removal effectiveness, which itself depends on the surface topography. The topography is quantified by the distribution and density of active abrasive grains located on the circumferential surface, the grains’ protrusion heights, and their pore volume ratio. The prediction of the surface topography mentioned above requires a model that considers the entire manufacturing process and the influences on the grinding wheel properties. This study fills this gap in modelling the grinding wheel by presenting a surface topography model and simulation framework for the effect of the grinding wheel fabrication process on the surface topography. The simulation results have been verified by conducting experiments. This study will thus help grinding wheel manufacturers in developing more effective grinding wheels.
Industry 4.0 defines the organization of production and manufacturing processes based on technological advanced solutions and devices autonomously communicating with each other.
Within the context of this industrial revolution, the smart reconfigurable manufacturing systems are introduced. These systems shall be able to provide a dynamic level of reconfigurability based on the production demand and system availability. The introduction of the manufacturing reconfigurability constitutes a particularly important and expensive decision for the organizations and therefore scoping methods are becoming constantly essential.
The present work covers a first approach to defining reconfigurability methods and drivers for the manufacturing systems within the context of Industry 4.0. The thesis introduces five main reconfigurability use case scenarios for manufacturing systems and the description of a two – dimensional model of scoping parameters.
The first dimension is based on the potential business targets and reconfigurability drivers, while the second dimension focuses on the system functions and technologies, which are
required for the successful realization of the reconfigurability use case scenarios. Finally, the thesis concludes with a brief comparison between the traditional software product line scoping approach and purposed scoping method for the reconfigurability of manufacturing systems.
Schnelligkeit und Explosivität sind prägende Bestandteile des Fußballspiels und die Bedeutung dieser Fähigkeiten ist in den vergangenen Jahren deutlich gestiegen. Infolgedessen erscheint die Berücksichtigung der Schnellkraft von prognostischer Relevanz für das komplexe Feld der Talentidentifikation und die damit verbundenen Selektionsprozesse im leistungsorientierten Jugendfußball. Allerdings gibt es nur wenige publizierte Daten die unter methodischen Standards erhoben wurden. Aus diesem Grund absolvierten im Rahmen dieser Arbeit 822 aktive, männliche Vereinsfußballer im Alter zwischen 10 und 19 Jahren eine leistungsdiagnostische Schnellkrafttestbatterie. Die Ergebnisse der Untersuchung zeigen, dass die Leistungsfähigkeit der Spieler über die komplette Altersspanne von 10-19 Jahren ansteigt. Dabei steht die Leistungsentwicklung in engem Zusammenhang mit der Reifeentwicklung der Jugendlichen. Des Weiteren zeigt sich, dass Spieler aus Nachwuchsleistungszentren bessere Werte aufweisen, als Spieler die nicht in einem Nachwuchsleistungszentrum Fußball spielen. Darüber hinaus wird deutlich, dass sich die Testleistungen von Spielern verschiedener Spielpositionen teilweise erheblich unterscheiden. Durch Folgeuntersuchungen soll die Datenbank zukünftig weiter ausgebaut werden, um auf diese Weise detailliertere Vergleiche in den unterschiedlichen Subgruppen zu ermöglichen.
Der moderne Schulbau verlangt nach neuen Wegen, um veränderte pädagogische und architektonische Anfor-derungen mit den präskriptiven Vorgaben bisheriger Bauweisen in Einklang zu bringen. Im Zyklus der ständigen Anpassung geltender Bauvorschriften an die Veränderungen der Gesellschaft und den Stand der Technik, gilt es, den Wunsch nach neuen Schulbauformen aufzugreifen und ingenieurmäßig und baurechtlich fortzuentwickeln. Basierend auf den Leitlinien neuer Schulbauformen und den darauf aufbauenden, mit ingenieurmäßiger Argumentation entwickelten Geometrien, werden diese, mittels rechnerischer Verfahren des Brandschutzingenieurwesens, konkretisiert. Um die These der Gleichwertigkeit des Sicherheitsniveaus von konventionellen und neuen pädagogischen Schulbauformen zu verifizieren, werden konventionelle Schulen als Grenzwertmodelle nach Maßgabe präskriptiver Vorgaben entwickelt und mithilfe eines Handrechenverfahrens werden die Grund-lagen von Personenströmen in Gebäuden ermittelt. Die Anwendung des Handrechenverfahrens auf konventionelle Schulmodelle liefert Erkenntnisse über die Leistungsfähigkeit der einzelnen Rettungswegelemente. Zusätzlich wird deutlich, dass das Verfahren sehr aufwändig ist und insbesondere bei paralleler graphischer Er-mittlung, es einer intensiven Auseinandersetzung mit dem Rechenverfahren bedarf. Für das Verständnis inge-nieurmäßiger Räumungsnachweise, stellt das Handrechenverfahren eine wichtige und notwendige Voraussetzung dar, um Computer unterstützte Individualmodelle korrekt anzuwenden und deren Ergebnisse sinnvoll interpretieren zu können. Es wird auch deutlich, dass das Handrechenverfahren aufgrund des hohen Aufwandes nicht dazu geeignet ist, um umfangreiche Parameterstudien durchzuführen.
Auf der Grundlage pädagogischer und architektonischer Leitlinien erfolgen Modellentwicklungen unterschiedlicher Raumformen. Das hierfür entwickelte Rettungswegsystem wird, unter Zuhilfenahme eines Computer unterstützen Individualmodells, mittels Parameterstudien zur Verifizierung ungünstigster Randbedingungen untersucht. Die ungünstigste Raumgeometrie bildet die Grundlage zur Fortentwicklung ganzer Gebäudegrundrisse und die Entwicklung unterschiedlich großer Schulgebäudekörper. Die Ergebnisse der Parameterstudien alter und neuer Schulbauformen, aus mehr als 8000 Simulationsdurchläufen, werden als bewertender Vergleich der Risikosituation, zu unterschiedlichen Schulmodellen herangezogen. Als wesentliche Vergleichsgröße dient die Anzahl der Agenten (Personen), welche bei der Gegenüberstellung konventioneller und neuer Schulbauformen, jeweils gleich ist.
Aus den Ergebnissen der Untersuchungen werden die Kapazitätsgrenzen konventioneller Schulbauformen nach Maßgabe präskriptiver Vorgaben verdeutlicht. Insbesondere die Bestimmung des ungünstigsten Szenarios unter Beachtung temporärer Zustände und die Berücksichtigung von Ausfallszenarien baulicher Rettungswege, verdeutlichen die Relevanz einer ingenieurmäßigen Betrachtung des Themas.
Zusätzlich zu den Vergleichsbetrachtungen zwischen konventionellen und neuen Schulbauformen wird ein Instrument entwickelt, welches die Qualität der Rettungswege hinsichtlich gegenläufiger Ströme berücksichtigt. Es erfolgt eine Betrachtung, die unter Berücksichtigung des zeitlichen Verlaufs die gegenläufige Bewegung von Flüchtenden Personen und den Kräften des abwehrenden Brandschutzes betrachtet. Die Instrumente zur Bestimmung der Qualität der Rettungswege sind dazu geeignet, allgemeingültig auf Gebäude besonderer Art und Nutzung zu übertragen.
Maschinenbetten und -gestelle werden vorwiegend aus Grauguss und als Stahlschweißkonstruktion gefertigt. Aufgrund technischer und wirtschaftlicher Vorteile haben sich seit den 80er Jahren zusätzlich Mineralguss oder epoxidharzgebundener Polymerbeton etabliert. Seit mehreren Jahren wird Ultra High Performance Concrete – UHPC – erfolgreich bei Werkzeugmaschinen eingesetzt. Auf diesen Grundgestellen aus Beton werden neben Gehäusen, Getrieben, Werkzeughaltern, Trafos usw. vor allem die beweglichen Teile der Maschine befestigt. Gängige Praxis hierfür ist die Verwendung von Linearführungsschienen.
Diese Arbeit untersucht die vorgespannte, geschraubte Befestigung der Linearführung auf geschliffenen Betonoberfläche mit Hilfe von speziellen Gewindehülsen. In rechnerischen Voruntersuchungen mittels der FE-Methode wurde der Kraftfluss von der Linearführung über die Befestigungsschraube zur Gewindehülse bis in den Betonuntergrund untersucht und darauf aufbauend ein Versuchsprogramm festgelegt. Probekörper aus hochfestem Beton des Marktführers wurden hergestellt und experimentell untersucht. Nach der Auswertung der Versuche wurde ein Bemessungskonzept entwickelt und in Form einer schrittweisen Anleitung festgehalten. Mehrere Beispiele zeigen die Anwendung des Verfahrens.
Berechnungen, Versuchskonzeption, Durchführung der Versuche, Versuchsauswertung sowie die Entwicklung des Bemessungskonzeptes erfolgten durch den Verfasser. Die Versuche wurden in seiner Anwesenheit in seinem Betrieb, in spezialisierten Unternehmen mit entsprechender Geräteausstattung und zum größten Teil an der TU Kaiserslautern durchgeführt. Die hier betrachteten Untersuchungen und Bemessungsvorschläge betrachten ausschließlich Maschinenbauteile und dürfen nicht auf Situationen im Bauwesen übertragen werden.
Wissenschaftliche Studien belegen, dass die überwiegende Mehrheit der Geflüchteten in Großstädten wohnen will. Hauptgrund ist die Hoffnung, dort leichter Arbeit und Kontakt zu anderen Geflüchteten zu finden.
Aufgrund geringerer Einkommen, mangelnder Sprachkenntnisse und Diskriminierungen bekommen Geflüchtete allerdings nur schwer Zugang zum Wohnungsmarkt. Befürchtungen, dass gerade Metropolen mit der Unterbringung überfordert sind, führen zu Forderungen, Geflüchtete verstärkt in ländlichen Räumen unterzubringen. Ob eine Integration in ländlichen Regionen jedoch gelingen kann, hängt von der Verfügbarkeit von geeignetem Wohnraum, Arbeitsplätzen, ÖPNV, Kapazitäten im Bildungssystem und einer Akzeptanz von Zuwanderung in der Bevölkerung ab. Das Wohnumfeld nimmt dabei eine entscheidende Rolle für die Integration ein.
Im Poster wird anhand dreier Fallbeispiele in Rheinland-Pfalz dargestellt wo und wie Geflüchtete wohnen, in-wiefern sie von Segregation betroffen sind, welche Einbindung sie in ihr Umfeld haben und was ihnen bei der Unterbringung wichtig ist. Methodisch beruht der Beitrag auf der Auswertung der SOEP-Flüchtlingsstudie – differenziert nach siedlungsstrukturellen Merkmalen - sowie amtlichen Daten aus der kleinen Großstadt Kaiserslau-tern, der Schwarmstadt Mainz und dem ländlichen Landkreis Kusel. Des Weiteren haben wir im Jahr 2018 53 leitfadengestützte Interviews mit Geflüchteten, Anwohnern und Anwohnerinnen sowie Expertinnen und Experten aus drei Untersuchungsräumen geführt.
Der Vergleich von städtischen und ländlichen Räumen zeigt, dass die sozialräumlichen Bedingungen für eine gelungene Integration nicht ausschließlich in Städten vorhanden sind. Multiethnische Quartiere in Metropolen können die Vernetzung begünstigen, sie bergen aber auch die Gefahr einer wachsenden unfreiwilligen Segregation. Die Interviews aus Kusel zeigen, dass Geflüchtete, die zentral im ländlichen Raum wohnen, mit dem Leben dort zufrieden sind. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass Geflüchtete – ebenso wie andere Migrantengruppen auch – Quartiere mit dichter Bebauung, einer Nutzung, die Erwerbsmöglichkeiten beinhaltet, und in denen zentrale Angebote zu Bildung, Arbeit und kostenfreien Treffpunkten vorhanden sind, bevorzugen. Diese Quartiere kann es in Metropolen, Mittelstädten, aber auch im ländlichen Raum geben.
Durch das Vernähen trockener Faservorformlinge vor der Harzinjektion werden vielfältige
Möglichkeiten eröffnet, um Faser-Kunststoff-Verbund-Strukturen gewichtsoptimiert
und gleichzeitig kostengünstig herzustellen. Durch die im Vergleich zur
Prepreg-Technik innovativere Prozesskette sind auch komplexe Geometrien, wie sie
beispielsweise in Lasteinleitungsbereichen vorliegen, automatisiert fertigbar. Die Einbringung
von strukturellen Vernähungen in Laminatdickenrichtung kann insbesondere
in Strukturbereichen mit dreidimensionalen Spannungszuständen die Delaminationsgefahr
durch eine Steigerung der interlaminaren Eigenschaften abmindern
und die Schadenstoleranz steigern. Allerdings erfordert eine vermehrte Anwendung
der Nähtechnik in der industriellen Praxis auch die Bereitstellung dreidimensionaler
mechanischer Werkstoffkennwerte, die im Konstruktions- und Auslegungsprozess
benötigt werden.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden kohlenstofffaserverstärkte Multiaxialgelege-Laminate,
die im Flugzeugbau angewandt werden, strukturell vernäht und die durch den
Nähprozess entstehenden Reinharzgebiete sowie die Veränderung des relativen Faservolumengehaltes
erfasst. Bei der Bestimmung von intralaminaren Zug- und
Druckkennwerten wurden die Auswirkungen der Vernähung auch auf die Kerbdruckeigenschaften
untersucht. Zur Bestimmung von Elastizitäts- und Festigkeitskenngrößen
bei einer Zugbelastung senkrecht zur Laminatebene wurde ein Versuchskonzept
erarbeitet und die Potentiale der eingebrachten strukturellen Vernähung
ermittelt. Darüber hinaus wurden die Auswirkungen der strukturellen Vernähung auf
die interlaminaren Schubfestigkeiten charakterisiert. Auch der Einfluss des Nähprozesses
auf die mechanischen Eigenschaften der verwendeten E-Glas-Garne
wurde experimentell erfasst.
Die Versuchsergebnisse zeigten Reduktionen der intralaminaren Kennwerte um bis
zu 12 %, bei den Kerbdruckversuchen wurden teilweise Steigerungen des Kerbfaktors
festgestellt, die bis zu 9 % betrugen. Der Zug-Elastizitätsmodul senkrecht zur
Laminatebene wurde generell gesteigert, im Maximum um 8 %. Für die Zugfestigkeit
wurden leichte Steigerungen um 4 %, aber auch Abnahmen um bis zu 12 % beobachtet.
Bei der interlaminaren Schubfestigkeit waren durchgehend Steigerungen
festzustellen, die maximal 11 % betrugen. Der Elastizitätsmodul und die Festigkeit
des Nähgarns wurden infolge des Nähprozess um bis 22 % bzw. 42 % verringert.
Der praxisgerechte Einsatz der strukturellen Nähtechnik erfordert neben fundierten
Werkstoffkennwerten auch Simulationswerkzeuge, die die Auswirkungen der 3DVerstärkung
abschätzen können. Somit könnte durch eine Vorauswahl geeigneter
Nähmuster der Aufwand für eine kosten- und zeitintensive Materialcharakterisierung
reduziert werden. Hierzu wurde auf ein parametrisch gesteuertes Finite-Elemente-
Einheitszellenmodell zur Vorhersage von intralaminaren Elastizitäts- und –Festigkeitskenngrößen
zurückgegriffen und dieses um die Vorhersage von Elastizitäts- und
Zugfestigkeitskenngrößen senkrecht zur Laminatebene erweitert. Im Rahmen der
Modellvalidierung und -kalibrierung wurden intensive Untersuchungen hinsichtlich
geeigneter Randbedingungen und mikromechanischer Ansätze zur Beschreibung der
unidirektionalen Einzelschicht des Laminats durchgeführt. Die mit dem weiterentwickelten
Einheitszellenmodell abgeschätzten mechanischen Kennwerte zeigten gute
Übereinstimmungen mit experimentellen Ergebnissen.