06 Fakultät Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie
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Item Open Access Bemannte Missionen zum Mars mit kontinuierlichen Antrieben(2005) Schmidt, Tanja D.; Auweter-Kurtz, Monika (Prof. Dr.-Ing habil.)Im Rahmen dieser Arbeit werden bemannte Missionen zum Mars für unterschiedliche Antriebskonzepte im Hinblick auf Flexibilität, kurze Gesamtmissionsdauern, kurze Transferzeiten und moderate Startmassen untersucht und verglichen. Die untersuchten Antriebskonzepte sind kontinuierliche elektrische Antriebe sowie chemische und nuklear-thermische Antriebe, die zur Kategorie der impulsiven Antriebe gehören. Die im Rahmen dieser Arbeit hierzu erstellten Programme bzw. Routinen zur Bahnsimulation und -optimierung werden vorgestellt. Es werden die Ergebnisse einer detaillierten, systematischen Bahnanalyse für helio- und planetozentrische Bahnen und für Rundreise-Missionen aufgezeigt. Speziell für die kontinuierlichen elektrischen Antriebe werden Variationen der Antriebsparameter (Schub, spezifischer Impuls und Triebwerkswirkungsgrad) durchgeführt und deren Einfluß auf Flugzeit und Startmasse bzw. Treibstoffmasse untersucht. Es werden die hierfür notwendigen minimalen Antriebsparameter für bemannte Marsmissionen ausgearbeitet und verschiedene elektrische Antriebskonzepte hinsichtlich Anwendbarkeit untersucht. Die atmosphärischen Flugsegmente einer solchen Mission werden im Rahmen dieser Arbeit mittels Literaturstudien untersucht. Die in der Literatur diskutierten Konzepte für Schwerlaststartraketen an der Erde, Marsaufstiegsfahrzeuge sowie Aermanöver-Vehikel für Mars und Erde werden hinsichtlich Anwendbarkeit für bemannte Marsmissionen evaluiert und Konzeptvorschläge ausgearbeitet. Neben dem Antriebssystem werden im Rahmen dieser Arbeit die Lebenserhaltung, Habitate und die Energieversorgung untersucht. Es werden Modelle für diese Subsysteme erstellt und verschiedene Konzepte miteinander verglichen. Basierend auf den Ergebnissen dieser Arbeit wird ein Konzeptvorschlag einer bemannten Marsmission mit kurzer Gesamtmissionsdauer unter Verwendung kontinuierlicher elektrischer Antriebe vorgestellt.Item Open Access Terrestrial laser scanning - a supplementary approach for 3D documentation and animation(2005) Böhm, JanWhile aerial methods undesputedly form the backbone of modern photogrammetry, we have seen an increased use of terrestrial methods in the past years to supplement aerial data especially in the field of 3D city modelling and the animation thereof. This article describes an approach to use terrestrial laser scanning in order to increase detail and realism of datasets derived from arial methods. When devising a new strategy for the integration of data from multiple sources two aspects come to focus. For one methods for the registration of the datasets are needed. Secondly a suitable data model has to be introduced to hold multiple aspects of the data. Consequently we present our methods for the automatted georeferencing of terrestrial laser data and we introduce the concept of LASERMAPs, which are extracted from terrestrial laser data and mapped onto the 3D building model.Item Open Access Ein Beitrag zur Identifikation von dynamischen Strukturmodellen mit Methoden der adaptiven Kalman-Filterung(2005) Eichhorn, Andreas; Möhlenbrink, Wolfgang (Prof. Dr.-Ing.)Die vorliegende Arbeit entstand am "Institut für Anwendungen der Geodäsie im Bauwesen" (IAGB) der Universität Stuttgart im Rahmen des Forschungsschwerpunkts "Identifikation dynamischer Systeme". Es werden zwei Aufgabenstellungen behandelt. Die erste Aufgabenstellung kommt aus dem Bereich der Deformationsanalyse und beinhaltet die Entwicklung eines Temperaturdeformationsmodells zur realitätsnahen Prädiktion bzw. Simulation der Auswirkung von einseitigen dynamischen Temperaturbelastungen auf balkenförmige Körper. Ein wichtiges Anwendungsgebiet ist im Maschinenbau durch die indirekten Kompensationsverfahren zur Minimierung von thermischen Effekten auf hochpräzise Werkzeugmaschinen gegeben. Im Bauwesen ist die Analyse der thermischen Biegung von schlanken Baukonstruktionen unter dem Einfluss der Sonneneinstrahlung von Interesse. Den Kern des Modells bildet eine Finite Elemente Topologie auf der Grundlage von partiellen Differenzialgleichungen zur Quantifizierung der instationären Temperaturverteilung. Die parametrische Identifikation des dynamischen Strukturmodells ("White box"-Modell) erfolgt mittels adaptiver KALMAN-Filterung. In Labortests mit einer Aluminiumsäule gelingt die Schätzung der Temperaturleitfähigkeit des Materials mit einer Abweichung von nur 0,2% des Sollwertes. Durch unabhängige Temperaturmessungen wird gezeigt, dass eine Prognose der instationären Temperaturgradienten entlang des Mantels der Säule mit Restabweichungen erfolgen kann, die innerhalb des Bereichs der dreifachen Standardabweichung der verwendeten Temperaturmesssensoren (sigmaT = 0,4 K) liegen. Das Modell ist damit zur realitätsnahen Berechnung der Temperaturverteilung unter einem variablen Spektrum von dynamischen Belastungen geeignet. Die Verknüpfung mit einem Deformationsmodul (thermische Biegung) ermöglicht dann die Prognose von Säulenbiegungen mit einer mittleren Abweichung von ca. 3% der experimentell erzeugten maximalen Amplitude, was den Anforderungen für indirekte Kompensationsverfahren genügt. Die zweite Aufgabenstellung beinhaltet die parametrische Identifikation einer Fahrzeugbewegung. Im Auftrag der DaimlerChrysler AG wird ein Modul zur kartenunabhängigen Fahrzeugortung entwickelt. Kern des Moduls ist ein KALMAN-Filter mit einem kausal modifizierten kinematischen Bewegungsmodell des Fahrzeugs. Das Modell berücksichtigt explizit die gemessenen Orientierungsänderungen. Hierdurch wird die übliche Trägheit von kinematischen Bewegungsgleichungen entscheidend reduziert. Bei Stadt- und Landstrassenfahrten werden mit dem Ortungsmodul Positionsschätzungen mit mittleren Genauigkeiten von sigmaP = 2...3 m erzielt.Item Open Access Ein operationelles Kalibrierverfahren für das flugzeuggetragene Laserscannersystem ScaLARS(2005) Schiele, Oliver Jens; Kleusberg, Alfred (Prof. Dr.-Ing.)Die Weiterverarbeitung von Laserdaten aus flugzeuggestützten Fernerkundungsmissionen zu Standard- oder kundenspezifischen Produkten setzt je nach Anwendungsspektrum eine möglichst hohe und konstante Datenqualität voraus. Durch direkte Georeferenzierung der Laserdaten kann für diese Endprodukte ein enorm hoher Grad an Automation und Aktualität erzielt werden. Die Qualität der georeferenzierten Laserdaten wird nicht nur durch die spezifische Leistungscharakteristik der verwendeten Einzelsensoren limitiert, sondern auch durch das widerspruchsfreie Zusammenspiel (Kalibrierung) der verschiedenen Systemkomponenten. In der Vergangenheit hat sich bei der Auswertung verschiedener Fernerkundungsprojekte gezeigt, dass das Leistungsvermögen der seitherigen Kalibrierung und Datenanalyse nach manuellen Verfahren in Verbindung mit unvollständiger Kenntnis über das Zusammenspiel der Systemparameter stark eingeschränkt ist. Auch im Hinblick auf künftige Weiterentwicklungen am Multi-Sensorsystem zur Qualitätssicherung und Qualitätssteigerung erschien die Entwicklung einer standardisierten und automatischen Prozedur zur Kalibrierung und Datenanalyse auf der Grundlage statistischer Berechnungsverfahren von größter Wichtigkeit. In dieser Arbeit wird ein vollständiges und praxiserprobtes Verfahren zur Systemkalibrierung von flugzeuggetragenen Laserscannersystemen am Beispiel von ScaLARS vorgestellt. Die Methode basiert auf einem robusten Schätzverfahren und verwendet Referenzflächen bzw. deren Flächenschwerpunkt zur Schätzung der entsprechenden Kalibrierparameter. Hebt sich eine Referenzfläche radiometrisch deutlich von ihrem Umfeld ab, so können die Lasermessungen innerhalb der Referenzfläche mit Hilfe der gemessenen Rückstreuintensität von ihrem Umfeld unterschieden werden. Es werden hierfür exemplarisch die Markierungen einer Start- und Landebahn genutzt. Zur Ableitung einer Systemkalibrierung eignen sich sowohl örtlich eingemessene Referenzflächen als auch Referenzflächen ohne jegliche externe Information. Die Berechnung des Flächenschwerpunkts aus der Punktwolke einer Referenzfläche erfolgt auf der Grundlage einer Delaunay-Triangulation. Die Verwendung des Flächenschwerpunkts als Referenzpunkt hat den Vorteil, dass dieser sowohl aus Laserdaten als auch aus örtlichen Einmessungen identisch beschrieben werden kann. Gleichzeitig wird bei der Kalibrierung durch Verwendung abgeleiteter Beobachtungen zum Flächenschwerpunkt der Einfluss der horizontalen Diskretisierung sowie der Einfluss von Messrauschen in der Entfernungsmessung auf die Systemgenauigkeit und auf die Schätzwerte der Kalibrierparameter reduziert. Im Vorfeld wurden zunächst umfangreiche Simulationsrechnungen zur Parameterschätzung durchgeführt, um basierend auf den zur Verfügung stehenden Ausgangsdaten über optimal formulierte Beobachtungs- und Parameterkombinationen eine bestmögliche Schätzung der Kalibrierung zu erzielen. Anhand der synthetischen Datensätze konnte unter Voraussetzung einer stabilen Messeinheit das hohe Potential des entwickelten Modells zur Kalibrierung aber auch die Leistungsfähigkeit des hier verwendeten Ablenkprinzips Palmerscan selbst nachgewiesen werden. Die spezifizierten Genauigkeiten der Schätzwerte wurden stets erreicht. In die Untersuchungen wurden ebenso genauigkeitslimitierende Faktoren wie etwa die atmosphärische Refraktion, die Deformation des Ablenksystems etc. mit einbezogen. Auf der Grundlage mehrerer Flugplatzüberflüge aus den Jahren 2002 und 2003 konnte das Modell zur Systemkalibrierung und Datenanalyse zusätzlich mit realen Datensätzen getestet werden. Es konnte für jeden zur Kalibrierung genutzten Überflug eine ausreichend hohe Individualgenauigkeit nachgewiesen werden, wobei ein Vergleich der verschiedenen Schätzwerte untereinander teilweise nicht tolerierbare Streuungen zeigte. Diese Streuungen sind ein Hinweis auf eine nicht ausreichende Stabilität im Messsystem. Es deutet vieles darauf hin, dass diese nicht ausreichende Langzeitstabilität durch das Ablenksystem verursacht wird. Die Untersuchungen in dieser Arbeit zeigen, welch hohes Genauigkeitspotential mit dem entwickelten Modell zur Systemkalibrierung sowohl in Verbindung mit synthetischen als auch mit realen Datensätzen erzielt werden kann. Darüber hinaus konnte ebenso auf offensichtliche Fehler und Unsicherheiten im verwendeten Messsystem hingewiesen werden. Die Nutzung der entwickelten Systemkalibrierung und der Simulationssoftware für flugzeuggetragene Laserscanner erlaubt ein Vordringen in bisher nie erreichte Genauigkeitsbereiche. Es konnten dadurch Effekte nachgewiesen werden, welche vorher nur vermutet werden konnten. Dies eröffnet neue Ansätze und Lösungswege im Bereich der Hardware- und Softwareentwicklung sowie im Bereich der Qualitätssicherung bei flugzeuggetragenen Laserscannern.Item Open Access Automation in laser scanning for cultural heritage applications(2005) Böhm, Jan; Haala, Norbert; Alshawabkeh, YahyaWithin the paper we present the current activities of the Institute for Photogrammetry in cultural heritage documentation in Jordan. In particular two sites, Petra and Jerash, were recorded using terrestrial laser scanning (TLS). We present the results and the current status of the recording. Experiences drawn from these projects have led us to investigate more automated approaches to TLS data processing. We detail two approaches within this work. The automation of georeferencing for TLS data is presented along with our approach for automated feature extraction.Item Open Access Simulation von kavitierenden Strömungen in Hochdrucksystemen(2005) Wrona, Frank; Munz, Claus-Dieter (Prof. Dr. rer. nat. habil.)Für die Entwicklung neuer hydraulischer Systeme im Hochdruckbereich, von denen ein Vertreter Einspritzanlagen von Dieselmotoren sind, ist es wichtig, das Auftreten von Kavitation vorhersagen zu können. Dies ist wichtig, um bereits in der Entwicklungsphase dieser Anlagen Kavitationsschäden und Funktionsstörungen zu vermeiden. In solchen Systemen treten zwei verschiedenen Kavitationsformen auf: die hydrodynamische und die akustische Kavitation. Die akustische Kavitation entsteht dort aufgrund sich ständig ändernder Randbedingungen. Die hydrodynamische hingegen aufgrund lokaler Strömungsgegebenheiten. Mit dem heutigem Stand der Forschung können kavitierende Strömungen unter den hier definierten Randbedingungen nur unzureichend simuliert werden. Besonders wichtig in Bezug auf die Schädigungsmechanismen der Bauteile ist das transiente Verhalten von Kavitation. In der vorliegenden Arbeit wurde ein Simulationsprogramm entwickelt, welches in der Lage ist beide Kavitationsformen zu simulieren. Um akustische Kavitation simulieren zu können ist es deshalb notwendig, die Ausbreitung von Druckwellen vorhersagen zu können. Dazu wird das Fluid im flüssigen sowie im dampfförmigen Zustand kompressibel behandelt. Der Verdampfungsprozeß wird über thermodynamische Beziehungen unter der Annahme modelliert, daß sich das Fluid jederzeit im thermodynamischen Gleichgewicht befindet. Massen-, Impuls- und Energiebilanzen werden zusammen mit einem Zwei-Gleichungs-Turbulenzmodell in einem konservativen Schema berechnet. Um die Erhaltungsgleichungen zu lösen wird ein numerisches Schema vom Godunov-Typ verwandt. Numerische Probleme dieses Schemas, die zwar im ersten Schritt vernachlässigt werden können aber in weiterführenden Arbeiten gelöst werden sollten, werden auch noch dargestellt. Im numerischen Lösungsschema können einige Stoffdaten nur iterativ bestimmt werden, was sich als zeitraubend erweist. Deshalb wird das Schema vollkommen parallelisiert und das somit eingeführte Lastbalancierungsproblem gelöst. Das numerische Schema wird anhand bekannter Testfälle aus der Literatur für einphasige Strömungen validiert und es zeigen sich sehr gute Übereinstimmungen. Die numerischen Ergebnisse von kavitierenden Strömungen werden anhand eines Grundlagenbeispiels und eines Anwendungsbeispiels aufgezeigt. Für das Grundlagenbeispiel wurden zusätzlich Experimente durchgeführt. Verglichen mit diesen, kann man ersehen, daß das Phänomen qualitativ richtig wiedergegeben wird. Man erkennt, daß Kavitation einen starken Einfluß auf das gesamte Strömungsbild hat. In kavitierenden Gebieten wird das Fluid stark beschleunigt. Die Hinzunahme des Turbulenzmodells erweist sich sogar als erforderlich im Hinblick auf das Strömungsgesamtbild. Anhand der Experimente kann man auch ersehen, daß die Modellgleichungen allein das physikalische Phänomene in einem Hochdrucksystem nicht hinreichend gut wiedergeben. In gewissen Strömungsregimen scheine Effekte wie Luftausgasnung dominant zu werden. Deshalb sollte das Schema um solche Modelle erweitert werden. Das Anwendungsbeispiel bildet eine transient betriebene Einspritzdüse ab. Man erkennt, daß beide hydrodynamische, sowie akustische Kavitation während des Einspritzvorgang in der Düse auftreten. Die Düse zeichnet sich bis zur Hälfte ihrer Öffnungsdauer durch ein instationäres Strömungfeld aus. Die Gitterabhängigkeit der Lösung wird überprüft. Es stellen sich keine wesentlichen Unterschiede heraus.Item Open Access Untersuchung des Wärmeübergangs in einem Strömungskanal einer Gasturbinenschaufel(2005) Amro, Mahmoud; Weigand, Bernhard (Prof. Dr.–Ing. habil. )Die Kühlung der ersten Stufen von Hochdruckturbinen stellt die anspruchsvollsten Teilgebiete bei der Kühlung von Gasturbinen dar. Die Anforderung nach hohen Turbineneintrittstemperaturen setzt insbesondere die erste Stufe der Turbinenschaufeln enormen thermischen Belastungen aus. Eine Senkung der Oberflächentemperaturen der Schaufel von ca. 10K kann die Lebensdauer der Schaufeln nahezu verdoppeln. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der konvektive Wärmeübergang einer internen Strömung experimentell untersucht. Aufgabe war es durch die richtige Wahl von Rippenkonfigurationen im Strömungskanal Sekundärströmungen und Verwirbelungen zu erzeugen, mit der Ziel, eine Geometrieoptimierung derart durchzuführen, dass Wärmeübergang und Druckverlust in einem ausgewogenen Verhältnis zueinander stehen. Zur Auswertung des Wärmeübergangs wurde eine transiente Messmethode mit thermochromatischen Flüssigkristallen TLC benutzt. Die Versuche wurden bei Reynolds-Zahlen von 30000 bis 200000 durchgeführt. Bei den untersuchten Geometrien handelt es sich um verschiedene Rippenanordnungen, Anstellwinkel g [g={45°; 60°, 135°}], Rippenabstand P zu Rippenhöhe e [P/e = {10; 15; 20}], Rippenhöhe e zu Kanalhöhe H [e/H ={0,10; 0,15; 0,167}]. Unter Berücksichtigung der experimentellen Daten wurden Korrelationen für den Wärmeübergang und die Reibungsverhältnisse aufgestellt. Die erzielten Ergebnisse wurden mit Literaturangaben und numerischen Berechnungen verglichen. Mit den Ergebnissen aus der untersuchten Rippenvariationen kann numerische Modelle erstellt werden, mit denen ohne größeren Aufwand verschieden Konfigurationen und Variationen der Rippen untersucht werden können. Als Ergebnis konnten optimale Geometrien hinsichtlich des Wärmeübergangs und der Reibungsverhältnissen ermittelt werden und Korrelationsgleichungen aufgestellt werden. Die experimentellen Untersuchungen haben insgesamt die bedeutende Rolle der Rippen zur Intensivierung von Wärmeübergang im Vergleich zu der glatten Kanal gezeigt.Item Open Access Sequence stratigraphy, sedimentology and provenance of the Upper Cretaceous siliciclastic sediments of South Jordan(2005) Baaske, Uwe Peter; Krawinkel, Hannelore (PD Dr.)The aim of this study was to establish a sequence stratigraphic framework for the Upper Cretaceous (Albian to Santonian) sedimentary rocks of South Jordan. This was accomplished by detailed sedimentological studies and facies analysis. Furthermore the provenance and weathering history of the siliciclastic rocks was determined by using sedimentary petrography and bulk rock geochemistry. The study area is situated in the southern part of Jordan, about 60 km south of the city Ma'an, between the city Ras en Naqb in the West to Naqb Ataik in the East. Here a succession of Palaeozoic to Cretaceous sedimentary rocks is exposed along a NW-SE to E trending, about 90 km long escarpment. Along this escarpment fifteen vertical sections were logged in detail and samples where taken in the Cretaceous deposits. On the basis of these logs the facies analysis and sequence stratigraphic interpretation was carried out. Selected samples were used for petrographical and geochemical studies. Facies analysis showed that the Upper Cretaceous sediments were deposited in a terrestrial to marine setting. The examined sedimentary succession comprises ten environmental depositional facies, which can be grouped into four major facies associations. These four facies associations are (i) the shelf facies association, (ii) the shoreface facies association, (iii) the marginal marine facies association and (iv) the coastal plain facies association. The repeated interfingering of terrestrial and marine environments shows, that the examined sediments were deposited in a shallow marine siliciclastic to mixed siliciclastic-carbonate coastal system. The facies correlation of the logged sections reveals that the sedimentary succession can laterally be sub-divided into three major depositional systems: (i) a siliciclastic ramp, (ii) a mixed carbonate-siliciclastic ramp and (iii) an alluvial system. Vertically these depositional systems are arranged in repeating cyclothems. An ideal cyclothem consists of a retrograding siliciclastic ramp system, a mixed siliciclastic-carbonate ramp system, a prograding siliciclastic ramp system and is ended by an alluvial plain system. The shelf system was generally wave/storm dominated, whilst the prograding siliciclastic ramp system was supply dominated. The retrograding siliciclastic ramp, as well as the mixed siliciclastic-carbonate ramp system was accommodation-dominated. The coastal system can be divided into a regressive and a transgressive system. Under regressive sea-level conditions sand dominated braid deltas formed. Transgressive sea-level conditions resulted in a coastal system controlled by wave dominated estuaries and barrier/lagoon complexes. On the coastal plain anastomosing to meandering sand dominated river systems with wide overbank areas developed during transgressive times. During regressive sea-level conditions the nearshore river system changed to a more braided one that was directly linked to the braid deltas forming during these intervals. The sequence stratigraphic interpretation of the correlated sections shows that the studied sedimentary succession includes eight third-order sequences. The basal four sequences comprise the Cenomanian to Coniacian Ajlun Group, while the top four sequences are situated within the Coniacian to Santonian Belqa Group. Moreover sequences 1, 2 and 4 can each be further subdivided into two sequences of higher order. Basically all sequences include forced regressive deposits formed during the relative sea-level fall. Characteristic features of forced regressions, like for example sharp based shoreface deposits, are frequently present within the logged sections. Due to the significance of the regressive part of the relative sea-level for the studied sediment succession the sequence stratigraphic model introduced by Plint and Nummedal (2000) was used. This sequence stratigraphic model combines the complete sea-level fall in a new falling stage systems tract (FSST), which opposes LST, TST and HST. Comparison of the sequence stratigraphic interpretation with the major depositional systems shows that the depositional systems correspond very well with the four systems tracts of the applied sequence stratigraphic model. The alluvial plain system developed during the LST, the retrograding siliciclastic ramp system during the TST. The mixed carbonate-siliciclastic ramp system corresponds to the HST and the prograding siliciclastic ramp system is associated with the FSST. Relative sea-level changes and sediment supply were the main controlling parameters for the sequence architecture of the examined deposits. Since subsidence was low and no synsedimentary tectonic influenced the examined sediments, the relative sea-level changes are basically eustacy driven. Therefore the reconstructed sea-level curve resembles strongly global curves. The siliciclastic sediment supply is related to sea-level changes and associated with back stepping fluvial incision during the FSST and LST. Light mineral analysis shows that the Cretaceous sands and sandstones of South Jordan are basically mineralogical mature and can be classified as quartz arenites. Only the fine to medium grained sands and sandstones of the study area exhibit a slightly higher content of feldspar, classifying them as subarkoses. Heavy mineral analysis reveals a dominance of the ultrastable heavy minerals zircon, tourmaline and rutile. Especially zircon is predominant in the examined samples. With a mean ZTR-index of 97.9, the heavy mineral content reflects the mineralogical maturity of the sediments shown by the light mineral analysis. The studied sands and sandstones experienced a rather restricted spectrum of diagenetic processes. The compaction of the sediments was low to moderate, which is for example reflected by high IGV values. This and the lack of destructive grain contacts and pressure solution indicate that the sediments did not encounter deep burial or thick overburden. Concerning the cementation of the examined sediments, the sandstones display three major cementing phases. Sandstones cemented by clay minerals are only weakly lithified and display the highest intergranular porosities of all samples. Sandstones cemented by carbonate minerals (calcite and dolomite) or iron-oxides are well lithified and usually display only low values of intergranular porosities. The cementation with carbonate minerals is facies dependant and only occurs in marine sediments. Both, petrographic and geochemical provenance analysis point to the deposition of the Cretaceous sandstones of South Jordan within a passive continental margin setting. As source rock for the studied samples a continental block and/or a craton interior is most likely. Furthermore, a clear trend towards a recycled sedimentary source is obvious in the petrographical as well as in the geochemical studies. Especially the presence of resedimented quartz grains and the enrichment of zircon in the sediments support this. The presented study shows that the Arabo-Nubian-Shield and its Palaeozoic sedimentary cover are the source area for the Cretaceous siliciclastic sediments of South Jordan. The examined sediments follow normal weathering trends in the weathering diagrams. The corresponding CIA values point to a moderate weathering for most samples. Only the sandstone and some claystone samples have high CIA values typical of recycled sediments.Item Open Access Robust design optimization of structures under uncertainties(2005) Kang, Zhan; Doltsinis, Ioannis (Priv.Doz. Dr. -Ing. )In this thesis, the formulation and the numerical method for the structural robust design are addressed. The theory and numerical techniques of structural optimization have seen a significant progress in the last two decades. Moreover, the rapidly increasing computational capabilities allows the structural optimal design to incorporate system uncertainty. The present study is intended to contribute to a better understanding of the structural optimization by putting emphasis on the design robustness in the presence of random noise under realistic conditions. Robust structural design offers reliable, quantifiable and efficient means to make products and processes insensitive to sources of variability. Robust design may be attained in various stages of structural design, such as concept design, parameter design and tolerance design. In this study, the robust parameter design is accomplished using structural optimization techniques. In the present study, the structural robust design problem is formulated as a multicriteria optimization problem, in which not only the mean structural performance function but also its standard deviation is to be minimized. The robustness of the constraints are accounted for by involving the standard deviation of the original constraint function. The multi-criteria optimization problem is then converted into a scalar optimization problem by a performance function containing the weighted sum of the two design criteria. The robust design optimization problem can be then solved with mathematical programming algorithms. The second-order perturbation based stochastic finite element analysis is used for evaluating the mean value and the variance of the structural response in the robust design problem. The perturbation based approach is also extended to the stochastic analysis of path-dependent structures, in accordance with the incremental integration scheme employed for the corresponding deterministic analysis. Furthermore, the moments sensitivity analysis for structural performance functions are developed based on the perturbation based stochastic finite element analysis. This sensitivity information is used in the gradient based optimization algorithms for solving the robust design optimization problem. The feasibility of the presented method is demonstrated by truss benchmarks. As shown by the obtained results, the Pareto optima of the robust design problem can be obtained using the this method. The results also reveal that the diminishing of the structural performance variability is often attained at the penalty of worsening its expected mean value. In the last part of the thesis, the robust design problems of inelastic deformation processes are addressed, with applications to the design of an extrusion die and of a metal preform. The perturbation technique is used for the stochastic analysis of the inelastic process, where an iterative algorithm is employed for solving the perturbation equations. The numerical examples show the potential applicability of the proposed method for the robust design of industrial forming process, too.Item Open Access Systemtransformation und Gezeitenmodellierung(2005) Bulach, KatharinaDie Bestimmung des Schwerefeldes der Erde gewinnt immer mehr an Bedeutung. Der Nutzen und die Anwendung reichen von der Bestimmung der Meerestopographie über die Bestimmung des Geoids in Zentimetergenauigkeit bis hin zur Analyse von Mechanismen und Massenverlagerungen auf der Erdoberfläche und im Erdinnern sowie der besseren Bestimmung hydrologischer Prozesse. Grundlegend für eine möglichst genaue Bestimmung des Erdschwerefeldes ist eine genaue Bestimmung der Satellitenbahn. Da die Messdaten der Satelliten neben der gravitativen Wirkung der Erde auch gravitative Wirkungen der direkten und indirekten Gezeiteneffekte beinhalten, gilt es diese Störeinflüsse zu reduzieren, um schließlich das Gravitationsfeld der Erde bestimmen zu können. Die Modellierung der Gezeiten ermöglicht es schließlich, die Messungen der sich frei um die Erde bewegenden Satelliten um die Einflüsse der gravitativen Störkräfte zu befreien. Somit können Aussagen über die gravitativen Eigenschaften des Erdkörpers an beliebigen Beobachtungspunkten gewonnen werden. Die Modellierung der Gezeiteneffekte bezieht sich auf das erdfeste Referenzsystem (International Terrestrial Reference System, ITRS), welches üblicherweise auch als Beobachtungssystem dient. Oftmals werden Koordinaten aber beschrieben in einem von der Erdrotation entkoppelten raumfestes System, wie es beispielsweise durch das International Celestial Reference System (ICRS) definiert wird. Aufgrund der Tatsache, dass Beobachtungspunkte nicht immer im gewünschten Referenzsystem vorliegen, müssen diese zunächst entsprechend transformiert werden. Die Erstellung eines C-Programmes zur Transformation von Koordinaten bezüglich des ITRS in Koordinaten bezüglich des ICRS oder umgekehrt ist Teil dieser Arbeit. Liegen die Beobachtungspunkte im erdfesten Referenzsystem vor, so können die Gezeitenbeschleunigungen der direkten Gezeiten, der Gezeiten der festen Erde sowie der Ozeangezeiten an den gewünschten Punkten berechnet werden. Hierzu wurde ein bereits bestehendes C-Programm überarbeitet, was den zweiten Teil dieser Arbeit bildet. Mit Hilfe der beiden C-Programme besteht somit die Möglichkeit Beobachtungspunkte zum einen in das richtige Referenzsystem zu transformieren, zum anderen Gezeiteneffekte in diesen Punkten zu berechnen. Zudem wurde eine Art "Handbuch" erstellt, welches sowohl die Grundlagen als auch die Programme selbst dokumentiert. Im Grundlagenteil werden zunächst die verschiedenen Zeitsysteme und deren Zusammenhänge erläutert. Die Referenzsysteme, welche bei der Systemtransformation von fundamentaler Bedeutung sind, werden vorgestellt sowie deren Zusammenhänge über Präzession, Nutation und Polbewegung dargelegt. Des weiteren erfolgt die Herleitung des Gezeitenpotenzials, welches für die Gezeitenmodellierung von Bedeutung ist. Die Programmdokumentationen zur Systemtransformation und zur Gezeitenmodellierung werden getrennt voneinander behandelt. Dabei wird zum einen der detaillierte Aufbau der Programme mit den zur Berechnung notwendigen Formeln dargestellt, zum anderen werden die Ein- und Ausgabefils sowie wichtige Programmeinstellungen näher erläutert. Die aus dem Programm gewonnenen Ergebnisse der Systemtransformation werden anhand eines Vergleichprogrammes beurteilt. Zuletzt werden einige Berechnungsbeispiele zur Systemtransformation als auch zur Gezeitenmodellierung dargestellt um die verschiedenen Berechnungsmöglichkeiten, welche die Programme bieten, aufzuzeigen.
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