Berichte der Arbeitsgruppe Technomathematik (AGTM Report)
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Die Aufgabe dieses Projektes ist die Untersuchung des Schallfeldes, das sich in einem geschlossenen Quader bei Erregung durch eine punktförmige Schallquelle einstellt. Eine zentrale Rolle spielt hierbei die Wechselwirkung zwischen dem Schallfeld und den Quaderplatten, die zu Schwingungen angeregt werden und so dem Schallfeld Energie entziehen. Der Zweck dieser Untersuchung ist, Erkenntnisse für die Berechnung des Innendrucks zu Fahrzeugkarosserien zu gewinnen. Dies muß bei der Dimensionierung des Quaders und bei der Wahl des Plattenmaterials berücksichtigt werden. Numerische Berechnungen des Schalldrucks in einem Quader wurden beispielsweise in [1] durchgeführt. Das Ergebnis zeigt, daß zwei Arten von Resonanzen auftreten: Zum einen Strukturresonanzen, die durch Eigenschwingungen der Wände hervorgerufen werden und die von den Wandabmessungen und dem Plattenmaterial abhängen, zum anderen Hohlraumresonanzen, die auftreten, wenn die Luftwellenlänge in einem geeigneten Verhältnis zu den Abmessungen des Hohlraums steht. Es ist sehr zweifelhaft, welche Rückschlüsse gezogen werden können von den numerischen Resultaten in [1] auf kompliziertere Geometrien, wie sie bei Fahrzeugkarosserien vorliegen. Eine tiefere Einsicht in die Kopplung zwischen Schallfeld und Plattenschwingungen vor allem in den Resonanzbereichen ist nur zu erwarten, wenn die Berechnung dieser Wechselwirkung weitgehend analytisch durchgeführt wird. Eine solche analytische Berechnung ist das Ziel dieses Projektes.
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Wir beschreiben eine Methode zur Approximation von Spannungsgradienten aus diskreten Spannungsdaten. Eine herkömmliche Diskretisierung der Ableitungen aus Funktionswerten führt zu Stabilitätsproblemen, weswegen eine Möglichkeit zur Kontrolle der Ableitungen notwendig ist (Regularisierung). Wir bestimmen zunächst das Funktional der potentiellen Energie und führen zusätzlich ein Fehlerfunktional ein, das die Anpassung an die vorgegebenen diskreten Werte ermöglicht. Durch Gewichtung der beiden Funktionale und Minimierung des Gesamtfunktionals erhält man den gewünschten Ausgleich zwischen der Fehlerkontrolle beim Ableiten einerseits und Kontrolle der Fehler bei den Randwerten andererseits.
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Zeitreihen und Modalanalyse
(1987)
Die Arbeit ist zu verstehen als ein Teil im großen Projekt der Universität Kaiserslautern, das sich unter dem Namen Technomathematik um die dringend erforderliche Verständigung zwischen Technik und Mathematik bemüht.; Der große Leitfaden war das Buch von Natke: Einführung in Theorie und Praxis der Zeitreihen- und Modalanalyse, Schilderung der wesentlichen dort verwendeten Ideen der indirekten Systemidentifikation sowie des wahrscheinlichkeitstheoretischen und physikalisch-technischen Hintergrundes.
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Bei den bisherigen Untersuchungen auf dem Gebiet der passiven Solarnutzung mit speicherfähigen gemauerten Ziegelwänden stellte sich heraus, daß direkt im Strahlengang der Sonnenstrahlung liegende Wandbauteile keine ausreichende Speicherwirkung haben. Ausreichend heißt: Schnelle Wärmeabführung in eine Wärmesenke, ausreichende Speicherkapazität als Tagesspeicher. Abhilfe schaffen hier Latentspeicher oder großvolumige Wasserspeicher. In unserem konkreten Fall stand ein Texxor-Latentspeicher mit 2 l Inhalt und 100 Wh Kapazität bei 27oC in einem Poroton-Formstein zur Verfügung.
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Das Programmsystem PROMO wird in der Industrie zur Berechnung von instationären Gasströmungen in Mehrzylinder-Verbrennungsmotoren eingesetzt. PROMO wurde in den Jahren von 1970 bis 1977 an der Ruhr-Universität Bochum entwickelt. Nach den ersten Erfahrungen von Anwendern wurde das Programmsystem 1979/80 überarbeitet, und es entstand die neue Version PROMO 2.; Instationäre, kompressible und eindimensionale Rohrströmungen können berechnet werden. Außerdem sind die verschiedensten Rand- und Übergangsbedingungen zwischen den einzelnen Rohrstücken realisiert.; Einerseits hat sich PROMO in der Praxis bewährt, andererseits wurden auch deutliche Abweichungen der Rechenergebnisse von Messungen beobachtet. Aus dem Anwenderbereich hat die Firma Gillet (Hersteller von Auspuffanlagen) folgende Fragen aufgeworfen: Wie muß die Orts- bzw. Zeitschrittweite gewählt werden, um eine bestimmte Genauigkeit der numerischen Lösung zu sichern? Wie können die erzielten Ergebnisse theoretisch beurteilt werden (Fehlerschätzung)?; Deshalb erscheint eine Betrachtung des Programmsystems aus mathematischer Sicht sinnvoll.
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Die Bestimmung des Erdgravitationspotentials aus den Meßdaten des Forschungssatelliten CHAMP lässt sich als Operatorgleichung formulieren (SST-Problem). Dieser Ansatz geht davon aus, dass ein geometrischer Orbit des Satelliten CHAMP vorliegt. Mittels numerischer Differentiation unter Einsatz eines geeigneten Denoising Verfahrens kann dann aus dem geometrischen Orbit der Gradient des Potentials längs der Bahn bestimmt werden. Damit sind insbesondere die Radialableitung (und der Flächengradient) auf einem Punktgitter auf der Bahn bekannt. In einem erdfesten System stellt sich dies als eine nahezu vollständige Überdeckung der Erde (bis auf Polar Gaps) mit einem ziemlich dichten Datengitter auf Flughöhe des Satelliten dar. Die Lösung der SST-Operatorgleichung (Bestimmung des Potentials auf der Erdoberfläche aus Kenntnis der Radialableitung auf einem Datengitter auf Flughöhe) ist ein schlecht gestelltes inverses Problem, das mit einer geeigneten Regularisierungstechnik gelöst werden muß. Im vorliegenden Fall wurde eine solche Regularisierung mit Hilfe von nicht-bandlimitierten Regularisierungsskalierungsfunktionen und Regularisierungswavelets umgesetzt. Diese sind stark ortslokalisierend und führen daher auf ein Potentialmodell, welches eine Linearkombination stark ortslokalisierender Funktionen ist. Ein solches Modell kann als Lokalmodell auch aus nur lokalen Daten berechnet werden und bietet daher gegenüber Kugelfunktionsmodellen wie EGM96 erhebliche Vorteile für die moderne Geopotentialbestimmung. Die Diskretisierung und numerische Umsetzung der Berechnung eines solchen Modells erfolgt mit Splines, die hier ebenfalls Linearkombinationen stark ortslokalisierender Funktionen sind. Die großen linearen Gleichungssysteme, die zur Berechnung der glättenden oder interpolierenden Splines gelöst werden müssen, können auf schnelle und effiziente Weise mit dem Schwarzschen alternierenden Algorithmus in Verbindung mit schnellen Summationsverfahren (Fast Multipole Methods) gelöst werden. Eine Kombination des Schwarzschen alternierenden Algorithmus mit solchen schnellen Summationsverfahren ermöglicht eine weitere erhebliche Beschleunigung beim Lösen dieser Gleichungssysteme. Zur Bestimmung von Glättungsparametern (Spline-Smoothing) und Regularisierungsparametern kann die L-Curve Method zum Einsatz kommen.
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Diese Arbeit entstand aus der Zusammenarbeit der Arbeitsgruppe Technomathematik der Universität Kaiserslautern mit der Firma AUDI AG in Ingolstadt. Die Hauptaufgabe bestand in der Modell-Entwicklung für das Zeitverhalten von Beanspruchungszeitfunktionen (BAZF). Daher werden auch die ursprünglichen Modellansätze, die sich aufgrund von Beobachtungen realer BAZFen als Irrwege herausstellten, und die Stufen der Anpassung an die Realität hier dargestellt. Die Überprüfung der Modelle habe ich vier Wochen lang vor Ort durchgeführt und anschließend die endgültigen entwickelt. Die bei AUDI erstellten Plots werden zur Rechtfertigung der Modelle beitragen. Das Ziel der Modell-Entwicklung war immer die praktische Anwendung, weshalb auch dieser Gesichtspunkt oft hereinspielt, besonders wenn es um die Realisierung auf dem Rechner geht. Über die Implementierung und die praktischen Ergebnisse wird in einer späteren Arbeit berichtet werden.