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This PhD-Thesis deals with the calculation and application of a new class of invariants, that can be used to recognize patterns in tensor fields (i.e. scalar fields, vector fields und matrix fields), and by the composition of scalar fields with delta-functions also to point-clouds.
In the first chapter an overview over already existing invariants is given.
In the second chapter the general definition of the new invariants is given:
starting with a tensor field a set of moment tensor is created via folding in tensor-product manner with different orders of the tensor product of the positional vector. From these, rotational invariant values are calculated via contraction of tensor products. An algorithm to get a complete and independent set of invariants from a given moment tensor set is described. Furthermore methods to make these sets of invariants invariant against translation, rotation, scaling, and affine transformation.
In the third chapter, a method to optimize the calculation of these sets of invariants is described: every invariant can be modeled as undirected graph comprising multiple sub-graphs representing partially contracted tensor products of the moment tensors.
The composition of the sets of invariants is optimized by a clever choice of the decomposition into sub-graphs, all paths creating a hyper-graph of sub-graphs where each node describes a composition step. Finally, C++-source-code is created, which optimized using the symmetry of the different tensors and tensor-products, and a comparison of the effort to other calculation methods of invariants is given.
The fourth chapter describes the application of the invariants to object recognition in point-clouds from 3D-scans. To do this, the invariants of sub-sets of point-clouds are stored for every known object. Afterwards, invariants are calculated from an unknown point-cloud and tried to find them in the database to assign it to one of the known objects. Benchmarks using three 3D-object databases are made testing time and recognition rate.
Fliehkraftbedingte Aufweitungen und Verzerrungen der nur wenige Mikrometer großen Lagerspalte sowie strömungsdynamische Instabilitäten wie der des Halbfrequenzwirbels sind heutige physikalische Grenzen gasgeschmierter Lagerungen für hohe Drehfrequenzen. Neben der Entwicklung neuartiger, inhomogener Materialien wie zum Beispiel Verbunde, sind Verkleinerungen der Flugkreise aktuelle Lösungsstrategien dieser Problematiken. Die Entwicklung, Realisierung und experimentelle Untersuchung eines hochfrequenten Lagersystems konventioneller Baugröße, unter Verwendung ordinärer, homogener Materialien ist Ziel vorliegender Arbeit. Die Ausarbeitung einer Idee für drehfrequenzunabhängige fliehkraftinvariante Lagerspalte überführt die Problematik der Fliehkraftaufweitung zur alleinigen Grenze der maximal verträglichen Spannung des Rotormaterials unter Fliehkraft. Sowohl die Größe als auch die Kreuzkoppelungen von Kreiselmomenten, die in einer der Störung unterschiedlichen Richtung ihrer Antworten resultieren, sind durch isotrope Gesamtauslegung der Lagerspaltcharakteristika und der Rotorträgheitsmomente auf das mögliche Minimum zu reduzieren. Hierfür sollen sich Lagerkräfte um den isotropen Mittelpunkt, der auch gleichzeitig der Massenmittelpunkt des Rotors darstellt, gegeneinander auslöschen. Analytische Untersuchungen der resultierenden Eigenfrequenzen des Lagersystems gaben Rückschlüsse auf mögliche, eigenfrequenzgebundene Instabilitäten über dem Drehfrequenzbereich. Durch eine vorgeschaltete Steifigkeit vor das Lagersystem konnten diese Eigenfrequenzen derart nach oben transformiert werden, daß solche Instabilitäten auszuschließen sind. Da als dynamisch arbeitendes, gasgeschmiertes Lager konzipiert wurde, bis zum Erreichen der Levitationsdrehfrequenz, eine statisch arbeitende, gasgeschmierte Anlaufhilfe in das dynamisch arbeitende System integriert. Zur Erfassung der Rotorlage und –dynamik im Betrieb wurde ein optischer „low-cost“ Sensor mit der der Optik eines handelsüblichen CD-Roms entwickelt. Mit fünf dieser Sensoren und einer eigens hierfür entwickelten Auswerteelektronik konnte die Rotordynamik bis zu einer Drehfrequenz von 3 kHz und mit bis zu 90.000 Signalen pro Sekunde sicher erfaßt werden. Die entwickelte Software war, in Verbindung mit den gelieferten Abstandsinformationen der digitalen Meßwertelektronik, in der Lage das System nach Parametrierung autonom so zu steuern und zu regeln, daß der vorgegebene Nennlagerspalt und die vorgegebene Drehfrequenz stets eingehalten werden konnte. Die experimentellen Ergebnisse spiegelten eindeutig die analytisch verfolgten Ziele der fliehkraftinvarianten, isotropen und eigenfrequenzoptimierten Gestaltung wieder und bilden in analytischer Auslegung, rotordynamischer Behandlung und Eigenfrequenzbeeinflussung neue Grundlagen für hochfrequent drehende, gasgeschmierte Lagersysteme, die zum Teil auch auf Wälzlagerungen übertragbar sind.