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Multidisciplinary optimizations (MDOs) encompass optimization problems that combine different disciplines into a single optimization with the aim of converging towards a design that simultaneously fulfills multiple criteria. For example, considering both fluid and structural disciplines to obtain a shape that is not only aerodynamically efficient, but also respects structural constraints. Combined with CAD-based parametrizations, the optimization produces an improved, manufacturable shape. For turbomachinery applications, this method has been successfully applied using gradient-free optimization methods such as genetic algorithms, surrogate modeling, and others. While such algorithms can be easily applied without access to the source code, the number of iterations to converge is dependent on the number of design parameters. This results in high computational costs and limited design spaces. A competitive alternative is offered by gradient-based optimization algorithms combined with adjoint methods, where the computational complexity of the gradient calculation is no longer dependent on the number of design parameters, but rather on the number of outputs. Such methods have been extensively used in single-disciplinary aerodynamic optimizations using adjoint fluid solvers and CAD parametrizations. However, CAD-based MDOs leveraging adjoint methods are just beginning to emerge.
This thesis contributes to this field of research by setting up a CAD-based adjoint MDO framework for turbomachinery design using both fluid and structural disciplines. To achieve this, the von Kármán Institute’s existing CAD-based optimization framework cado is augmented by the development of a FEM-based structural solver which has been differentiated using the algorithmic differentiation tool CoDiPack of TU Kaiserslautern. While most of the code could be differentiated in a black-box fashion, special treatment is required for the iterative linear and eigenvalue solvers to ensure accuracy and reduce memory consumption. As a result, the solver has the capability of computing both stress and vibration gradients at a cost independent on the number of design parameters. For the presented application case of a radial turbine optimization, the full gradient calculation has a computational cost of approximately 3.14 times the cost of a primal run and the peak memory usage of approximately 2.76 times that of a primal run.
The FEM code leverages object-oriented design such that the same base structure can be reused for different purposes with minimal re-differentiation. This is demonstrated by considering a composite material test case where the gradients could be easily calculated with respect to an extended design space that includes material properties. Additionally, the structural solver is reused within a CAD-based mesh deformation, which propagates the structural FEM mesh gradients through to the CAD parameters. This closes the link between the CAD shape and FEM mesh. Finally, the MDO framework is applied by optimizing the aerodynamic efficiency of a radial turbine while respecting structural constraints.
#Sport #Gesundheit #Digital
(2021)
In ihrem 50. Jubiläumsjahr lud die Technische Universität Kaiserslautern am 26. und 27. November 2020 zu einem Höhepunkt ein: dem Kongress #Sport #Gesundheit #Digital. Für zwei Tage wurden im Rahmen eines Online-Forums gemeinsam die Themenfelder Sport, Gesundheit und Digitalisierung diskutiert. Wir freuen uns sehr, dass die Techniker Krankenkasse die TUK als Ausrichter der Veranstaltung besonders unterstützt hat. #SGD – Der Kongress setzte an der Schnittstelle von Sport, Gesundheit und Digitalisierung an und beleuchtete Chancen und Möglichkeiten, die durch das Zusammenspiel dieser Disziplinen entstehen können. Gleichzeitig wurden Risiken und Herausforderungen der digitalen Entwicklungen in Sport und Gesundheit betrachtet und perspektivisch mit Blick in die Zukunft analysiert. Hochkarätige Beiträge aus Wissenschaft und Praxis aus allen für das Themenspektrum relevanten Fachrichtungen sorgten für ein hohes Maß an Abwechslung und Transfer. Der Kongress richtete sich dabei nicht nur an Personen aus Wissenschaft und Praxis der Bereiche Gesundheitswesen und -management, Medizin und Psychologie. Ebenso angesprochen wurden Übungsleitende und Angehörige aus Hochschulsport und Sportwissenschaft, Studierende und Mitarbeitende aller bezogenen Fachrichtungen sowie alle allgemein interessierten Personen. Der vorliegende Kongressband stellt die Sammlung der Kongressinhalte dar. Neben den schriftlichen Beiträgen lassen sich hier auch Impressionen der Kongresstage und die Vorträge als interaktiv eingebundene Videos finden.
„Die Grenzen meiner Sprache bedeuten die Grenzen meiner Welt.“, schrieb der österreichisch-englische Philosoph Ludwig Wittgenstein (1922). Das Beherrschen der Schriftsprache wurde in der neuhumanistischen Bildungstheorie nach Wilhelm von Humboldt (Humboldt & Menze, 1997) in den Mittelpunkt der Bildungsprozesse gestellt.
Bildung kann daher nur dann gelingen, wenn die Schriftsprache beherrscht wird. Dabei wird Bildung als eine Art lebenslanges Lernen verstanden, in dem es darum geht, die Funktionsweisen der Gesellschaft und der Welt in der wir leben, zu verstehen und dahingegen zu handeln (Otto, 2007). Mit dem erfolgreichen Schriftspracherwerb und dem sicheren Umgang mit der Schriftsprache ist eine Art Teilhabe am „kulturellen Gedächtnis“ so Assmann (2007) sowie an gegenwärtigen Prozessen. Nicht für alle Kinder verläuft der Erwerb der Schriftsprache ohne Schwierigkeiten. In der ersten PISA-Studie aus dem Jahr 2000 lag der Prozentsatz leseschwacher Kinder in Deutschland bei ca. 24 Prozent (OECD, 2001). Dieser verringerte sich zwar in der PISA-Studie im Jahr 2015 auf rund 16 Prozent (PISA 2015 Results (Volume V), 2017). Die Ergebnisse der aktuellen PISA-Studie sind jedoch ernüchternd. In Bezug auf die Lesekompetenz ist der Anteil der leseschwachen Kinder auf 21 Prozent gestiegen, an Gymnasien sogar auf 29 Prozent (OECD, 2019). Auch Fischbach und Kollegen (Fischbach et al., 2013) fanden bei ihrer Studie im deutschsprachigen Raum heraus, dass 18 Prozent aller Grundschüler1 erhebliche Schwierigkeiten im Lesen und Schreiben aufweisen. Stellen sich erste Schwierigkeiten beim Erlernen des Lesens und Schreibens ein, muss eine zeitige Förderung der betroffenen Kinder an erster Stelle stehen. An diesem Punkt setzt das computerbasierte Trainingsprogramm Lautarium (Klatte, Steinbrink,
Bergström, & Lachmann, 2017) an, indem es Lehrern, Eltern, Therapeuten und den betroffenen Kindern ein Werkzeug an die Hand gibt, welches sich bereits in mehreren Studien als wirksam erwiesen hat (einen Überblick bietet Klatte et al., 2017).
Entwickelt wurde dieses Programm im Zuge eines Drittmittelprojekts mit dem Schwerpunkt „Entwicklungsstörungen schulischer Fertigkeiten“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung. Die hier durchgeführte Studie befasst sich mit den Effekten des Trainings mit dem computerbasierten Förderprogramms Lautarium auf die phonologischen und schriftsprachlichen Leistungen von Zweitklässlern mit Lese-Rechtschreibschwierigkeiten. Lautarium basiert auf aktuellen Forschungserkenntnissen zur Bedeutung der phonologischen Verarbeitung für den Schriftspracherwerb und umfasst aufeinander aufbauende Übungen zur Phonemwahrnehmung, phonologischen Bewusstheit und Graphem-Phonem-Zuordnung, zum Lesen und Schreiben lautgetreuer Wörter und zur schnellen Worterkennung. Zwar hat sich das Trainingsprogramm bereits in mehreren Studien als wirksam erwiesen, in der jetzigen Studie wird die Wirksamkeit jedoch erstmals im Rahmen eines randomisierten kontrollierten Designs (randomized controlled trial, RCT, „Goldstandard“ der klinischen Forschung) geprüft (Borah, Moriarty, Crown, & Doshi, 2014; Kaptchuk, 2001). Es wurde zunächst ein klassisches Prätest-Posttest-Follow-up–Design realisiert, um kurz- und langfristige Effekte des Lautarium-Trainings zu erfassen (Studienteil 1: Vortest bis Nachtest 2). Eine Gruppe von Kindern (n= 24) bearbeitete das Lautarium-Training, die andere Gruppe (n= 31) ein computerbasiertes Denktraining (Lenhard, Lenhard & Klauer, 2011). Das Training erfolgte täglich etwa 20 Minuten über mehrere Wochen im Rahmen des differenzierenden Unterrichts. Im Anschluss an den Follow-upTest arbeiteten die Gruppen mit dem jeweils anderen Programm, danach folgte ein weiterer, abschließender Nachtest 3 (Studienteil 2: bis Nachtest 3, n= 44). Studienteil 1 bestätigte signifikante und teilweise anhaltende Effekte des LautariumTrainings auf Untertests zur phonologischen Bewusstheit, zum Lesen und zur Rechtschreibung. Die in früheren Studien gezeigten Effekte ließen sich somit auch im Rahmen eines RCT-Designs replizieren. In Studienteil 2 zeigten sich signifikante Effekte auf die phonologische Bewusstheit. Abschließend werden Potentiale und Grenzen des Einsatzes von Lautarium im differenzierenden Unterricht diskutiert.
Indoor positioning system (IPS) is becoming more and more popular in recent years in industrial, scientific and medical areas. The rapidly growing demand of accurate position information attracts much attention and effort in developing various kinds of positioning systems that are characterized by parameters like accuracy,robustness,
latency, cost, etc. These systems have been successfully used in many applications such as automation in manufacturing, patient tracking in hospital, action detection for human-machine interacting and so on.
The different performance requirements in various applications lead to existence of greatly diverse technologies, which can be categorized into two groups: inertial positioning(involving momentum sensors embedded on the object device to be located) and external sensing (geometry estimation based on signal measurement). In positioning
systems based on external sensing, the input signal used for locating refers to many sources, such as visual or infrared signal in optical methods, sound or ultra-sound in acoustic methods and radio frequency based methods. This dissertation gives a recapitulative survey of a number of existence popular solutions for indoor positioning systems. Basic principles of individual technologies are demonstrated and discussed. By comparing the performances like accuracy, robustness, cost, etc., a comprehensive review of the properties of each technologies is presented, which concludes a guidance for designing a location sensing systems for indoor applications. This thesis will lately focus on presenting the development of a high precision IPS
prototype system based on RF signal from the concept aspect to the implementation up to evaluation. Developing phases related to this work include positioning scenario, involved technologies, hardware development, algorithms development, firmware generation, prototype evaluation, etc.. The developed prototype is a narrow band RF system, and it is suitable for a flexible frequency selection in UHF (300MHz3GHz) and SHF (3GHz30GHz) bands, enabling this technology to meet broad service preferences. The fundamental of the proposed system classified itself as a hyperbolic position fix system, which estimates a location by solving non-linear equations derived from time difference of arrival (TDoA) measurements. As the positioning accuracy largely depends on the temporal resolution of the signal acquisition, a dedicated RF front-end system is developed to achieve a time resolution in range of multiple picoseconds down to less than 1 pico second. On the algorithms aspect, two processing units: TDoA estimator and the Hyperbolic equations solver construct the digital signal processing system. In order to implement a real-time positioning system, the processing system is implemented on a FPGA platform. Corresponding firmware is generated from the algorithms modeled in MATLAB/Simulink, using the high level synthesis (HLS) tool HDL Coder. The prototype system is evaluated and an accuracy of better than 1 cm is achieved. A better performance is potential feasible by manipulating some of the controlling conditions such as ADC sampling rate, ADC resolution, interpolation process, higher frequency, more stable antenna, etc. Although the proposed system is initially dedicated to indoor applications, it could also be a competitive candidate for an outdoor positioning service.
Heading in Soccer: Does Kinematics of the Head‐Neck‐Torso Alignment Influence Head Acceleration?
(2021)
There is little scientific evidence regarding the cumulative effect of purposeful heading. The head-neck-torso alignment is considered to be of great importance when it comes to minimizing potential risks when heading. Therefore, this study determined the relationship between head-neck-torso alignment (cervical spine, head, thoracic spine) and the acceleration of the head, the relationship between head acceleration and maximum ball speed after head impact and differences between head accelerations throughout different heading approaches (standing, jumping, running). A total of 60 male soccer players (18.9 ± 4.0 years, 177.6 ± 14.9 cm, 73.1 ± 8.6 kg) participated in the study. Head accelerations were measured by a telemetric Noraxon DTS 3D Sensor, whereas angles for the head-neck-torso alignment and ball speed were analyzed with a Qualisys Track Manager program. No relationship at all was found for the standing, jumping and running approaches. Concerning the relationship between head acceleration and maximum ball speed after head impact only for the standing header a significant result was calculated (p = 0.024, R2 = .085). A significant difference in head acceleration (p < .001) was identified between standing, jumping and running headers. To sum up, the relationship between head acceleration and head-neck-torso alignment is more complex than initially assumed and could not be proven in this study. Furthermore first data were generated to check whether the acceleration of the head is a predictor for the resulting maximum ball speed after head impact, but further investigations have to follow. Lastly, we confirmed the results that the head acceleration differs with the approach.
Subject of this thesis is the investigation of photo-induced ultrafast elementary processes within the electronic excited-state manifold in mass-selected multinuclear coinage metal complexes (CMCs) in the gas phase. The chief objective is to ascertain how the intramolecular deactivation dynamics and gas phase reactivity are influenced by so-called metallophilic interactions between multiple d^10/d^8 metal centers, which in turn give rise to metal-delocalized electronic transitions. To this end, suitable molecular precursor ions were transferred into the gas phase by electrospray ionization (ESI) and subsequently isolated, activated, and finally analyzed in a Paul-type quadrupole ion trap (QIT) mass spectrometer. The QIT is modified to accept UV/Vis/NIR irradiation from a femtosecond laser setup. By combining several ion trap-based ion activation techniques and electronic photodissociation (PD) spectroscopy, the fragmentation pathways, as well as intrinsic optical properties (electronic PD spectra) of ionic CMCs are explored. In addition, the unconventional time-resolved transient photodissociation (t-PD) method, based on a femtosecond pump-probe excitation scheme, was employed for the first time on CMC ions in isolation, in order to elucidate their intrinsic photodynamics. This thesis mainly comprises five publications, covering the mass spectrometric and laser spectroscopic characterization of multinuclear Ag(I), Au(I), and Pt(II) based ionic complexes.
Klimawandel und der Wunsch nach nachhaltigen Konzepten: Im Rahmen dieser Ausarbeitung wurde ein nachhaltigkeitsorientiertes Nahverkehrskonzept für eine derzeit (2021) nicht mehr im Schienenpersonennahverkehr bedienten Strecke in Rheinland-Pfalz erarbeitet. Hierbei wurden die Effekte auf die Nachhaltigkeit untersucht und die Besonderheiten des vom demografischen Wandel betroffenen Gebietes einbezogen. Die für den Nahverkehr stillgelegte Schienenstrecke verläuft zwischen Staudernheim und Lauterecken-Grumbach in den Landkreisen Bad Kreuznach und Kusel und ist rund 21 Kilometer lang.
Mit dem Jahr 2020 wird der ursprüngliche zeitliche Horizont für das Nachhaltigkeitsziel der Bundesregierung zur Reduzierung der Flächenneuinanspruchnahme für Siedlungs- und Verkehrszwecke auf 30 Hektar am Tag erreicht. Angesichts der tatsächlichen Entwicklung des ‚Flächenverbrauchs‘ oberhalb dieses Zielwertes sowie dessen mannigfaltiger negativen ökologischen, sozialen und wirtschaftlichen Folgen kommt einer flächensparenden Siedlungsentwicklung nach wie vor höchste Priorität zu. Die Umwandlung von Freiraum in Siedlungs- und Verkehrsfläche erfolgt nicht nur in den städtisch geprägten Wachstumsregionen der Bundesrepublik. Auch in einigen ländlich-peripheren Bereichen zeigt sich trotz demografischer und teils struktureller Schrumpfung eine fortschreitende Flächenneuinanspruchnahme.
In den ‚Leitbildern und Handlungsstrategien für die Raumentwicklung in Deutschland‘ hebt die Ministerkonferenz für Raumordnung die Pläne und Programme der Regionalplanung als geeignetes Instrumentarium zur Steuerung einer flächensparenden Siedlungsentwicklung hervor und betont das regionalplanerische Potenzial als Koordinator und Kommunikator bei kooperativen Prozessen. Gleichwohl konstatiert die Raumforschung der Regionalplanung diesbezüglich immer wieder ein Steuerungs- und Implementationsdefizit, welches insbesondere auf ein nicht Ausnutzen des zur Verfügung stehenden formellen Instrumentariums sowie institutionelle Hemmnisse zurückgeführt wird. Im Fokus entsprechender Analysen standen bisher eher Wachstumsregionen mit engen Stadt-Umland-Verflechtungen. Eine Betrachtung ob der konsequenten Anwendung des verfügbaren Instrumentariums durch die Regionalplanung liegt inzwischen einige Jahre zurück. Es besteht zudem eine Forschungslücke hinsichtlich einer integrierenden Betrachtung ergänzender informeller Handlungsansätze.
Vor diesem Hintergrund widmet sich die vorliegende Arbeit der ganzheitlichen Untersuchung regionalplanerischer Handlungsansätze zur Steuerung einer flächensparenden Siedlungsentwicklung in unterschiedlich raumstrukturell geprägten Regionen. Als Fallstudien dienen die Region Main-Rhön in Bayern, die Region Rostock in Mecklenburg-Vorpommern und die Region Stuttgart in Baden-Württemberg. Mithilfe einer Governance-Analyse werden neben der Ausgestaltung des klassischen formellen Instrumentariums der Regionalplanung informelle Formen der Handlungskoordination unter Berücksichtigung institutioneller wie raumstruktureller Rahmenbedingungen erfasst. Expertengespräche ergänzen die Methodik zur Identifizierung von Erfolgen und Defiziten der jeweiligen Governance-Formen sowie deren Einflussfaktoren.
Im Ergebnis erfolgt die Governance einer flächensparenden Siedlungsentwicklung durch die Regionalplanung in allen Fallstudienregionen in erster Linie hierarchisch durch den Regionalplan und formelle Verfahren. In unterschiedlicher Intensität kommen zudem die Governance-Formen der Verhandlung oder des Netzwerks zum Einsatz. Ein ausdifferenziertes Governance-Regime stellt einen der wesentlichen Erfolgsfaktoren bei der Umsetzung einer flächensparenden Siedlungsentwicklung dar. Defizite ergeben sich aus der fehlenden Akzeptanz seitens der Adressaten der regionalplanerischen Handlungsansätze, welche auch auf die raumstrukturelle Prägung der Regionen zurückzuführen ist.
Daraus abgeleitete Empfehlungen für die Weiterentwicklung regionalplanerischer Governance-Regime umfassen die Optimierung des hierarchischen Planungsinstrumentariums, den Einsatzes ergänzender Governance-Formen sowie die Anpassung institutioneller Rahmenbedingungen. Die raumstrukturellen Rahmenbedingungen sind stets als wesentliche Grundlage für die inhaltliche Ausrichtung eines ausdifferenzierten Governance-Regimes der Regionalplanung für eine flächensparende Siedlungsentwicklung zu berücksichtigen.
In diesem Text werden einige wichtige Grundlagen zusammengefasst, mit denen ein schneller Einstieg in das Arbeiten mit Arduino und Raspberry Pi möglich ist. Wir diskutieren nicht die Grundfunktionen der Geräte, weil es dafür zahlreiche Hilfestellungen im Internet gibt. Stattdessen konzentrieren wir uns vor allem auf die Steuerung von Sensoren und Aktoren und diskutieren einige Projektideen, die den MINT-interdisziplinären Projektunterricht bereichern können.
