13 Zentrale Universitätseinrichtungen
Permanent URI for this collectionhttps://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/14
Browse
Item Open Access 3D visualization of multivariate data(2012) Sanftmann, Harald; Weiskopf, Daniel (Prof. Dr.)Nowadays large amounts of data are organized in tables, especially in relational databases where the rows store the data items to which multiple attributes are stored in the columns. Information stored this way, having multiple (more than two or three) attributes, can be treated as multivariate data. Therefore, visualization methods for multivariate data have a large application area and high potential utility. This thesis focuses on the application of 3D scatter plots for the visualization of multivariate data. When dealing with 3D, spatial perception needs to be exploited, by effectively using depth cues to convey spatial information to the user. To improve the presentation of individual 3D scatter plots, a technique is presented that applies illumination to them, thus using the shape-from-shading depth cue. To enable the analysis not only of 3D but of multivariate data, a novel technique is introduced that allows the navigation between 3D scatter plots. Inspecting the large number of 3D scatter plots that can be projected from a multivariate data set is very time consuming. The analysis of multivariate data can benefit from automatic machine learning approaches. A presented method uses decision trees to increase the speed a user can gain an understanding of the multivariate data at no extra cost. Stereopsis can also support the display of 3D scatter plots. Here an improved anaglyph rendering technique is presented, significantly reducing ghosting artifacts. The technique is not only applicable for information visualization, but for general rendering or to present stereoscopic image data. Some information visualization algorithms require high computation time. Many of these algorithms can be parallelized to run interactively. A framework that supports the parallelization on shared and distributed memory systems is presented.Item Open Access Advanced visualization techniques for flow simulations : from higher-order polynomial data to time-dependent topology(2013) Üffinger, Markus; Ertl, Thomas (Prof. Dr.)Computational Wuid dynamics (CFD) has become an important tool for predicting Fluid behavior in research and industry. Today, in the era of tera- and petascale computing, the complexity and the size of simulations have reached a state where an extremely large amount of data is generated that has to be stored and analyzed. An indispensable instrument for such analysis is provided by computational Wow visualization. It helps in gaining insight and understanding of the Wow and its underlying physics, which are subject to a complex spectrum of characteristic behavior, ranging from laminar to turbulent or even chaotic characteristics, all of these taking place on a wide range of length and time scales. The simulation side tries to address and control this vast complexity by developing new sophisticated models and adaptive discretization schemes, resulting in new types of data. Examples of such emerging simulations are generalized Vnite element methods or hp-adaptive discontinuous Galerkin schemes of high-order. This work addresses the direct visualization of the resulting higher-order Veld data, avoiding the traditional resampling approach to enable a more accurate visual analysis. The second major contribution of this thesis deals with the inherent complexity of Wuid dynamics. New feature-based and topology-based visualization algorithms for unsteady Wow are proposed to reduce the vast amounts of raw data to their essential structure. For the direct visualization pixel-accurate techniques are presented for 2D Veld data from generalized Vnite element simulations, which consist of a piecewise polynomial part of high order enriched with problem-dependent ansatz functions. Secondly, a direct volume rendering system for hp-adaptive Vnite elements, which combine an adaptive grid discretization with piecewise polynomial higher-order approximations, is presented. The parallel GPU implementation runs on single workstations, as well as on clusters, enabling a real-time generation of high quality images, and interactive exploration of the volumetric polynomial solution. Methods for visual debugging of these complex simulations are also important and presented. Direct Wow visualization is complemented by new feature and topology-based methods. A promising approach for analyzing the structure of time-dependent vector Velds is provided by Vnite-time Lyapunov exponent (FTLE) Velds. In this work, interactive methods are presented that help in understanding the cause of FTLE structures, and novel approaches to FTLE computation are developed to account for the linearization error made by traditional methods. Building on this, it is investigated under which circumstances FTLE ridges represent Lagrangian coherent structures (LCS)—the timedependent counterpart to separatrices of traditional “steady” vector Veld topology. As a major result, a novel time-dependent 3D vector Veld topology concept based on streak surfaces is proposed. Streak LCS oUer a higher quality than corresponding FTLE ridges, and animations of streak LCS can be computed at comparably low cost, alleviating the topological analysis of complex time-dependent Velds.Item Open Access Analyse und Optimierung der Softwareschichten von wissenschaftlichen Anwendungen für Metacomputing(2008) Keller, Rainer; Resch, Michael (Prof. Dr.-Ing.)Für parallele Anwendungen ist das Message Passing Interface (MPI) das Programmierparadigma der Wahl für Höchstleistungsrechner mit verteiltem Speicher. Mittels des Konzeptes des MetaComputings wiederum können verschiedenste Rechenressourcen mit PACX-MPI gekoppelt werden. Dies ist einerseits von Interesse, weil Problemgrößen gelöst werden sollen, die nicht auf nur einem System ausgeführt werden könnten, andererseits, weil gekoppelte Simulationen gerechnet werden, die auf bestimmten Rechnerarchitekturen ausgeführt werden sollen oder weil Systeme mit bestimmten Eigenschaften wie Visualisierungs- mit parallelen Rechenressourcen verbunden werden müssen. Diese Koppelung stellt für die verteilten Anwendungen eine Barriere dar, da Kommunikation zu nicht-lokalen Prozessen weitaus langsamer ist, als über das rechnerinterne Netzwerk. In dieser Arbeit werden Lösungen auf den Software-Ebenen ausgehend von der Netzwerkschicht, durch Verbesserungen innerhalb der verwendeten Middleware, bis hin zur Optimierung innerhalb der Anwendungsschicht erarbeitet. In Bezug auf die unterste Softwareschicht wird für die Middleware PACX-MPI eine allgemeine Bibliothek zur Netzwerkkommunikation auf Basis von User Datagram Protocol (UDP) entwickelt. Somit können Limitierungen des Transport Control Protocols (TCP) umgangen werden, vor allem in Verbindung mit Netzwerken mit hoher Latenz und großer Bandbreite, so genannte Long Fat Pipes. Die hier implementierte Bibliothek ist portabel programmiert und durch die Verwendung von Threads effizient. Dieses Protokoll erreicht gute Werte für die Bandbreite im Local Area Network (LAN), aber auch im Wide Area Network (WAN). Getestet wird dieses Protokoll zur Veranschaulichung mittels einer Verbindung zwischen Rechnern in Stuttgart und Canberra, Australien. Innerhalb der Middleware wird die Optimierung der kollektiven Kommunikationsroutinen behandelt und am Beispiel der Funktion PACX_Alltoall die Verbesserung anhand des IMB Benchmarks auf einem Metacomputer gezeigt. Zur Analyse der Kommunikationseigenschaften wird die Erweiterung einer Tracing-Bibliothek für PACX-MPI, sowie die Implementierung einer generischen Schnittstelle zur Messung der Kommunikationscharakteristik auf MPI-Schicht erläutert. Weiterhin wird eine allgemeine MPI-Testsuite vorgestellt, die beim Auffinden von Fehlern sowohl in PACX-MPI, als auch innerhalb der Open MPI Implementierung hilfreich war. Auf der obersten Softwareschicht werden Optimierungsmöglichkeiten für Anwendungen für MetaComputing aufgezeigt. Beispielhaft wird die Analyse des Kommunikationsmusters einer Anwendung aus dem Bereich der Bioinformatik gezeigt. Weiterhin wird die Implementierung des Cachings und Prefetchings von vielfach kommunizierten Daten mit räumlicher und zeitlicher Lokalität vorgestellt. Erst die Methodik des Cachings und Prefetchings erlaubt die Ausführung der Anwendung in einem Metacomputer und ist exemplarisch für eine Klasse von Algorithmen mit ähnlichem Kommunikationsmuster.Item Open Access Anwendung und Weiterentwicklung von schädigungsmechanischen Ansätzen zur Simulation des Versagensverhaltens von Thermoschockproben(2002) Merkert, Gerhard; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)Die Gewährleistung der Integrität von Komponenten im Betrieb und im Störfall bei komplexen mechanischen und thermischen Beanspruchungen ist eine wesentliche Voraussetzung für die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Anlagen. Die Charakterisierung dieser Beanspruchungen erfolgt bei rissbehafteten Komponenten im allgemeinen nach bewährten Regeln, die auf den integralen Ansätzen der Bruchmechanik basieren. Die Beschreibung des Versagensverhaltens dieser rissbehafteten Bauteile erfolgt dabei mit einem einzelnen temperaturabhängigen Parameter, KIc oder Ji bzw. JIc. Eine alternative Methode zu den globalen Ansätzen der Bruchmechanik stellen die Modelle der Schädigungsmechanik dar, die das Versagensverhalten von Bauteilen auf der Basis lokaler, mikromechanischer Vorgänge im Werkstoff beschreiben. Die Darstellung des gesamten temperaturabhängigen Verlaufs der Bruchzähigkeit ist derzeit durch ein einziges Schädigungsmodell nicht sicher möglich, da die für diese Arbeit relevanten Versagensarten, der Zähbruch und der Spaltbruch, auf zu unterschiedlichen werkstoffmechanischen Vorgängen beruhen. Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit zur Beschreibung des Versagensverhaltens bei Beanspruchung in der Hochlage der Bruchzähigkeit das von Rousselier, in der Tieflage und im unteren Übergangsgebiet das von der Forscher - Gruppe Beremin entwickelte Schädigungsmodell verwendet. Am Werkstoff 20MnMoNi5-5 wird beispielhaft die Ermittlung der werkstoffabhängigen Parameter für beide Schädigungsmodelle gezeigt. Bei der Bestimmung der Parameter für das Rousselier - Modell finden metallo-graphische und analytische Ansätze sowie numerische Methoden Anwendung. Nach der Wahl eines geeigneten Parametersatzes kann das Versagensverhalten von Proben bei Beanspruchungen in der Hochlage durch dieses Modell gut dargestellt werden. Zur Ermittlung der Parameter für das Beremin - Modell wird eine Methodik basierend auf Instabilitätswerten entwickelt und durch Vergleich mit experimentellen Werten verifiziert. Darauf aufbauend wird in der Arbeit das Beremin - Modell zur Beschreibung des instabilen Rissfortschritts und des Rissstopps nach instabiler Ausbreitung erweitert. Dabei wird für die FE - Simulation die instabile Rissaus-breitung in eine Abfolge von Spaltbruchinitiierungs -, Ausbreitungs - und Rissstopp-ereignisse unterteilt. Übersteigt die beanspruchungskennzeichnende Weibull - Spannung bzw. die entsprechende Versagenswahrscheinlichkeit PR einen definierten Betrag, wird Spaltbruchinitiierung postuliert. Nach einem simulierten Risswachstum erfolgt die erneute Berechnung der Weibull - Spannung und die Bestimmung der entsprechenden Versagenswahrscheinlichkeit PR. Sinkt PR unter einen definierten Betrag, wird Rissstopp angenommen. Das mit der skizzierten Vorgehensweise für den Werkstoff 20MnMoNi5-5 ermittelte Streuband der statischen Rissstoppzähigkeit KIa beschreibt das experimentell gefundene Werkstoffverhalten gut. Charakteristisch für Beanspruchungen im Übergangsgebiet der Bruchzähigkeit ist das duktile Risswachstum vor instabilem Versagen. Durch eine werkstoffmechanisch begründete Modifikation kann das Beremin - Modell auch zur Beschreibung des Versagensverhaltens durch Instabilität im Übergangsgebiet eingesetzt werden. Die vorangehende duktile Risserweiterung wird durch das Rousselier - Modell dargestellt. Am Beispiel von C(T) 25 - Proben wird gezeigt, dass durch die Kopplung der beiden Schädigungsmodelle eine geschlossene Beschreibung des Versagens-verhaltens von der Tieflage bis zur Hochlage der Bruchzähigkeit möglich ist. Der Einfluss der duktilen Schädigung auf den Spannungszustand an der Rissspitze und auf die Wahrscheinlichkeit für instabiles Versagen wird dargestellt und diskutiert. Die Übertragbarkeit der an Proben entwickelten Methodik auf Bauteile bzw. bauteil-ähnliche Proben wird durch die Simulation von Thermoschockversuchen gezeigt.Item Open Access Auslegung und Optimierung von Flanschverbindungen mit SMC-Losflanschen und PTFE-Dichtungen(2014) Kurz, Hariolf; Roos, Eberhard (Prof. Dr.)Die Anforderungen an Rohrleitungen aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) sind im Hinblick auf die Dichtheit, die Medienbeständigkeit und die Betriebssicherheit in den letzten Jahren gestiegen. Dennoch müssen die Betreiber chemischer Anlagen mit Rohrleitungen aus glasfaserverstärktem Kunststoff mit Losflanschen aus sheet-molding-compound (SMC) diese nachweislich sicher betreiben. Die Motivation zu dieser Arbeit liegt darin, dieses Bestreben mit der Auswahl von geeigneten PTFE-Dichtungen und mit der Untersuchung und Optimierung des mechanischen Verhaltens der SMC-Losflansche sowie ihrer analytischen Berechnung zu unterstützen. Die gewonnenen Erkenntnisse sind im Folgenden zusammengefasst. • Optimierung der Dichtungen In diesem Themenbereich wurden neun verschiedene Dichtungen aus Polytetrafluorethylen (PTFE) und zwei Gummidichtungen hinsichtlich ihrer Eignung für den Einsatz in GFK-Flanschverbindungen untersucht. Die Basis der Untersuchungen bildeten die Dichtungskennwerte nach DIN EN 13555, welche unter reduzierten Anfangspressungen im Leckage- und Stauchversuch und bei niedrigerer Steifigkeit und verlängerter Versuchsdauer im Kriechrelaxationsversuch ermittelt wurden. Vier PTFE-Dichtungen stellten sich im Leckageversuch als besonders geeignet heraus. An diesen wurden zusätzlich Untersuchungen zum Rückfeder- und Kriechrelaxationsverhalten durchgeführt. Die wichtigsten Erkenntnisse aus der Dichtungsprüfung sind zum einen, dass das Leckageratenkriterium der TA Luft mit 0,01 mbar•l/(s•m) bei 40 bar Helium von einigen PTFE-Dichtungen auch bei den in GFK-Flanschverbindungen typischen Flächenpressungen unterhalb 10 MPa eingehalten werden kann. Zum anderen entspricht das Rückfederverhalten der PTFE-Dichtungen dem der Gummidichtungen und die Kriechrelaxation der PTFE-Dichtungen unter den Bedingungen in GFK-Flanschverbindungen ist mit etwa 80% verbleibender Flächenpressung im Betrieb akzeptabel. Der Verlust der Vorspannkraft der Flanschverbindung im Betrieb resultiert maßgeblich aus der Kriechrelaxation der GFK-Flansche. Zur Optimierung von PTFE-Dichtungen werden von den Dichtungsherstellern verschiedene Maßnahmen getroffen, wie zum Beispiel die Kombination unterschiedlicher Werkstoffe oder Variation der Dichtungsgeometrie, welche das Abdichtverhalten verbessern. Um die Auswirkungen dieser Modifikationen rechnerisch erfassen zu können, wurde ein zweistufiges numerisches Konzept entwickelt, welches die Durchlässigkeit der Dichtung mit einem Transportansatz beschreibt. Dafür wird im ersten Schritt in einer Finite-Elemente-Simulation die Flächenpressungsverteilung der Dichtung bestimmt. Die lokale Dichtheit kann mit dem Leckageversuch nach DIN EN 13555 bestimmt und in einem zweiten Schritt der in Finite Elemente diskretisierten Dichtung örtlich zugewiesen werden. Die Lösung des Transportproblems führt zur Druckverteilung innerhalb der Dichtung und zur globalen Leckagerate der optimierten Dichtung. Diese Vorgehensweise liefert im Vergleich zu den gemessenen Druckprofilen innerhalb unter-schiedlich verpresster Dichtungen und für die globale Leckagerate einer vorverpressten PTFE-Dichtung konsistente Werte. Dem entsprechend konnte die Reduktion der Leckagerate einer durch Vorverpressen optimierten PTFE-Flachdichtung um den Faktor 3000 korrekt vorhergesagt werden. Die Methodik ermöglicht ebenfalls eine realistische Bewertung der Dichtheit von Flansch-verbindungen mit der Finite-Elemente-Methode (FEM), mit dem Ergebnis, dass in der Regel die zur Einhaltung der Dichtheit benötigten Mindestwerte der Schraubenkräfte im Vergleich zur herkömmlichen Bewertung der Dichtheit mit der mittleren Flächenpressung der Dichtung geringer werden. • Optimierung der Flansche Zunächst wurde der fertigungsbedingte Lagenaufbau und die damit verbundenen Werkstoffeigen-schaften der SMC-Losflansche bestimmt. Es handelt sich um eine unregelmäßige Verteilung eines transversal isotropen Lagenaufbaus. Dies wurde durch die Untersuchung der Mikrostruktur verdeutlicht, wobei festgestellt wurde, dass innerhalb der Flansche neben den eingeschlossenen Luftblasen auch die Matrix zwischen den Fasern von mikroskopischen Lufteinschlüssen durchsetzt ist. Aus diesem Grund weichen die Elastizitätskonstanten aus der theoretischen Herleitung deutlich von den gemessenen Werten an Bauteilausschnitten ab. Die Untersuchung des mechanischen Verhaltens der SMC-Losflansche wurde in einem Stauchversuch durchgeführt. Der Unterschied zur genormten Vorgehensweise nach DIN EN 16966 Teil 7 besteht darin, dass die Last kontinuierlich bis zum Bauteilversagen aufgebracht und dabei die axiale Verformung des Losflansches aufgezeichnet wird. Die Auswertung des Stauchverhaltens liefert als Ergebnis die maximale Traglast und die Steifigkeit der Losflansche. Beide Werte sind zur Bestimmung der Qualität einer Flanschverbindung von entscheidender Bedeutung. Zusätzlich werden mögliche Schwächen im Bauteil, welche zu vorzeitigem Versagen führen, erkannt. Dies ermöglicht dem Hersteller, beispielsweise durch die Variation des Lagenaufbaus oder des Matrixwerkstoffes, die Eigenschaften der Losflansche zu optimieren. Mit der messtechnischen Erfassung des Kriechrelaxationsverhaltens unter Temperatur in einem speziell dafür entwickelten Prüfstand wurde bestätigt, dass der Vorspannkraftverlust der Flanschverbindung im Betrieb maßgeblich durch die viskose Verformung der Flansche bedingt ist. Mit dem Ziel, den Lagenaufbau der SMC-Losflansche zu verbessern und die analytische Beschreibung der Losflansche zu verifizieren, wurde ein Finite-Elemente-Modell der Flanschverbindung erstellt. Darin wurden die an Bauteilausschnitten senkrecht und längs der SMC-Matten ermittelten anisotropen Elastizitätskonstanten, Festigkeits- und Kriecheigenschaften mittels geeigneter Werkstoffmodelle eingebunden. Der unregelmäßige Lagenaufbau wurde durch die Anpassung der Elementkoordinatensysteme an die an Schnitten visuell ermittelte Orientierung der SMC-Matten abgebildet. Die Bewertung der Ergebnisse der FE-Simulation mit der Festigkeits-hypothese nach Tsai-Wu bestätigt das verbesserte Tragverhalten eines Losflansches mit dem durch eine Fertigungsumstellung erzielten ebenen Lagenaufbau. Damit konnte die maximale Traglast des SMC-Losflansches um 50 % erhöht werden. Die Kriechrelaxation des SMC-Losflansches wird durch die Abbildung der an den Bauteilausschnitten ermittelten, richtungsabhängigen Kriechkurven mit dem von Hill modifizierten Kriechgesetz nach Graham-Walles beschrieben. Damit werden die gemessenen zeitlichen Verläufe der Schraubenkraft im Betrieb realistisch abgebildet. Die Vorhersage der im Vergleich zum bestehenden Losflansch geringfügig erhöhten Kriechrelaxation des Prototyps mit ebenem Lagenaufbau wird durch die Messung bestätigt. Insgesamt bedeutet die Erhöhung der zulässigen Schraubenkräfte bei Montage von 40 kN auf 60 kN eine deutliche Zunahme der Schraubenkraft im Betrieb, was die Betriebssicherheit erhöht und die Verwendung von PTFE-Dichtungen begünstigt. • Optimierung der Berechnungsmethode Mit den Erkenntnissen zur Beanspruchung von Losflanschen aus der messtechnischen Untersuchung der Flanschverbindung und aus der numerischen Simulation wurde ein analytisches Berechnungskonzept für den Losflansch entwickelt. Dieses berechnet die Beanspruchung in Umfangsrichtung aus dem Stülpmoment. Die Umfangsspannungen und die Verformung des Losflansches werden damit realistischer beschrieben als durch die bestehenden Regelwerke. Da das Berechnungskonzept ausschließlich die Spannung an der Losflanschoberseite zwischen den Schrauben abbildet, kann ein Bauteilversagen an anderer Stelle nicht erfasst werden. So muss bei der Auslegung differenziert nach der Lokalisierung des Versagens im Stauchversuch vorgegangen werden: - Losflansch versagt im Stauchversuch an der Flanschoberseite zwischen den Schrauben Das Berechnungskonzept ist anwendbar. Zur Berechnung der Flanschverbindung kann die analytische Beschreibung des Verhaltens von Losflanschen die bestehenden Regelwerken ersetzen. Mit dem zur Diskussion stehenden Wegfall der Werkstoffabminderungsfaktoren gemäß den Definitionen im AD 2000-Merkblatt führt die beschriebene Vorgehensweise zu höheren Schraubenkräften bei Montage und im Betrieb der Flanschverbindung. Dies bewirkt eine höhere Dichtheit und Betriebssicherheit von Anlagen mit GFK-Rohrleitungen. - Losflansch versagt an anderer Stelle Das Berechnungskonzept kann nicht angewendet werden. Alternativ können die maximale zulässige Schraubenkraft für Montage und im Betrieb sowie die Steifigkeiten im Stauchversuch ermittelt werden. Der Hersteller kann die sich im Stauchversuch offenbarenden Schwachstellen im Bauteil identifizieren und den Fertigungsprozess hinsichtlich des Tragverhaltens der Losflansche optimieren.Item Open Access Auswirkungen eines dreiachsigen Spannungszustandes auf das Verformungsverhalten und das Rissinitiierungsverhalten von Gruppenfehlstellen(2004) Weichert, Christina; Roos, Eberhard (Prof. Dr.)Während des Erstarrungsprozesses von großen Schmiedestücken ist die Entstehung von Fehlstellen (nichtmetallische Einschlüsse) und Inhomogenitäten nicht vollständig vermeidbar. Daher ist es erforderlich, Kriterien zur Beurteilung der Zulässigkeit von Fehlstellen zu erarbeiten. Zum Auffinden und zur Größenbestimmung der Fehlergrößen im Inneren der Schmiedestücke wird die Ultraschallprüfung angewandt. Zur Ermittlung von Oberflächenfehlern dient die Magnetpulverrissprüfung. Das Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung von Gruppenfehlstellen hinsichtlich ihrer gegenseitigen Beeinflussung in Abhängigkeit der jeweiligen Fehlstellengrößen und des Fehlstellenabstandes, sowie die Erstellung eines Wechselwirkungskriteriums zur Charakterisierung und Bewertung der Fehlstellen. Neben der Nachauswertung der Kleinproben wurden experimentelle Untersuchungen an Großproben (70 mm Schaftdurchmesser) der Stähle 26NiCrMoV14-5 und 30CrMoNiV5-11 mit Gruppenanzeigen durchgeführt. Die Proben stammen von Ausschussschmiedestücken, die mittels moderner Erschmelzungstechnologie in den 90iger Jahren hergestellt wurden. Eine Probe wurde mehrachsig (Schleuderprobe), die übrigen wurden einachsig beansprucht. Parallel zu den Versuchen erfolgten zerstörungsfreie Prüfungen, die Aussagen über die Lage der Fehlstellen und den Beginn des Risswachstums ermöglichten. Nach Erreichen von signifikanten zerstörungsfreien Prüfsignalen wurden die Proben kalt (spröde) aufgebrochen und die Fehlstellen rasterelektronenmikroskopisch untersucht. Wesentliche Schwerpunkte bildeten dabei die Untersuchung der Fehlstellen hinsichtlich ihrer gegenseitigen Beeinflussung sowie die Planimetrierung der Fehlstellengrößen und deren Risswachstum. Weiterhin wurden bruchmechanische Analysen durchgeführt und die durch die Fehlstellen verursachten Versagensvorgänge beschrieben. Parallel zu den experimentellen Arbeiten wurden umfangreiche numerische Untersuchungen durchgeführt. Dabei wurde zunächst eine einachsig beanspruchte fehlstellenbehaftete Probe betrachtet. An dem dreidimensionalen Modell wurden neben linearelastischen Simulationen auch Berechnungen unter Verwendung des Kriechgesetzes von Norton-Bailey durchgeführt und die Ergebnisse dargestellt. Dabei wurden die Fehlstellen elliptisch angenähert. Zur Verifizierung dieser Näherung wurde in Anlehnung an eine bereits experimentell untersuchte Probe die wahre Fehlergeometrie modelliert. Erwartungsgemäß zeigte der Vergleich beider Rechnungen eine sehr gute Übereinstimmung zwischen der wahren Fehlerform und der elliptischen Näherung. Daher wurden die Rechnungen mit der elliptischen Fehlergeometrie durchgeführt. Zur Untersuchung des Einflusses des Fehlstellenabstandes wurden verschiedene dreidimensionale Rechnungen mit gleichen Fehlergrößen durchgeführt, wobei der Abstand zwischen den Fehlstellen variiert wurde. Hierzu war es erforderlich, für jede Rechnung ein neues Netz zu generieren. Da diese Rechnungen sehr aufwändig sind, wurden vereinfachend zweidimensionale Rechnungen durchgeführt. Es zeigte sich, dass die 3D-Rechnungen zu ähnlichen Ergebnissen wie die 2D-Rechnungen führen. Basierend auf diesem Resultat wurden weitere unterschiedliche Fehlstellengrößen und -abständen zweidimensional simuliert. Neben der Nachrechnung von fehlerbehafteten einachsig beanspruchten Proben, wurden auch mehrachsig beanspruchte fehlerfreie und fehlerbehaftete Proben untersucht. Die Untersuchung des Einflusses der Mehrachsigkeit wurde basierend auf dem Mehrachsigkeitsquotienten q durchgeführt. Dabei zeigte sich insbesondere bei den Kriechrechnungen sowohl bei einachsiger als auch bei mehrachsiger Beanspruchung im Bereich der Fehlstellenränder eine signifikante Zunahme der Mehrachsigkeit. Während das Risseinleitungsverhalten bei einachsiger und mehrachsiger Beanspruchung von dem Mehrachsigkeitsquotienten q unabhängig ist, wird dieser bei spontaner Risserweiterung beeinflusst. Ausgehend von diesen numerischen Analysen wurde eine Wechselwirkungsfunktion erstellt, welche den Grad der gegenseitigen Beeinflussung zwischen zwei benachbarten Fehlstellen beschreibt. Die Wechselwirkungsfunktion ist dabei von dem Fehlergrößenverhältnis und dem auf die größere Fehlerachse bezogenen Abstand abhängig. Durch Einbeziehung der experimentellen Ergebnisse konnte ein Wechselwirkungsbereich definiert werden. Innerhalb dieses Bereichs ist mit einer gegenseitigen Beeinflussung zwischen zwei in einer Ebene liegenden Fehlstellen zu rechnen. Weiterhin wurden die zur Anwendung des Wechselwirkungskriteriums an die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung gestellten Anforderungen erläutert. Aus den in dieser Arbeit durchgeführten experimentellen und numerischen Finite-Elemente-Untersuchungen ist es nun möglich, das Verhalten von Gruppenfehlstellen zu charakterisieren und bruchmechanisch zu bewerten.Item Open Access Die Berechnung von Wiedereintrittsphänomenen auf hierarchischen Supercomputern mit einem effizienten parallelen Multiblockverfahren(2007) Bönisch, Thomas; Resch, Michael (Prof. Dr.-Ing.)Wie in vielen Ingenieurwissenschaften sind auch in der Weltraumforschung Computersimulationen ein wichtiger Bestandteil der Forschung geworden. Auch bei der Entwicklung von Raumfahrzeugen spielt die Simulationsrechnung für die Systemauslegung eine wichtige Rolle. Gerade hier ist die Simulationsrechnung besonders wichtig, da Experimente und Messungen mit enormem Aufwand und extremen Kosten verbunden sind. Allerdings ist auch die Simulation von Raumfahrzeugen, hier speziell die Simulation des Wiedereintritts von Orbitern, erheblich aufwändiger als die Simulation eines ''normalen'' Flugzeugs, da neben den aerodynamischen Effekten auch chemische Reaktionen auftreten und in der Simulation berücksichtigt werden müssen. Für die Berechnung solcher Wiedereintrittsströmungen wurde am Institut für Raumfahrtsysteme der Universität Stuttgart das Programmpaket URANUS entwickelt. Dieses Programm besaß allerdings den Schwachpunkt, dass bisher nur sogenannte C-Netze zur Berechnung eingesetzt werden konnten, mit denen sich komplexere Raumgleiterkonfigurationen, wenn überhaupt, nur sehr schwer vernetzen lassen. Da die Berechnung von Wiedereintrittsströmungen auch erhebliche Anforderungen an Rechenleistung und Speicherbedarf besitzt, soll das neue Programm auch auf modernsten Supercomputerplattformen ohne Leistungsverlust einsetzbar sein. Um diese Schwachpunkte zu beheben wurde das Programm zur Verwendung von sogenannten Multiblocknetzen erweitert. Dies bedingt allerdings eine völlige Überarbeitung des vorhandenen Simulationsprogramms und zwar sowohl hinsichtlich der verwendeten Datenstrukturen als auch bezüglich des Programmablaufs. Dazu wurden die Eigenschaften der Multiblocknetze genau untersucht und daraus die notwendigen Änderungen des Programms spezifiziert. Zur Integration der Multiblocknetze wurde eine neue Datenstruktur entwickelt, die, soweit möglich, bereits zukünftige Erweiterungen und Verbesserungen zum Beispiel in Richtung Mehrgitterverfahren ermöglicht und berücksichtigt. Die vorhandene Programmstruktur wurde in großen Teilen umgestellt und vor allem die Randbehandlung wurde so erweitert, dass die Randbedingungen unabhängig von der Lage des Blocks im Netz auf all seinen Seiten angewendet werden können. Dies erforderte eine allgemeine Formulierung der Randbedingungen. Für den Einsatz auf einer möglichst breiten Palette moderner Supercomputerplattformen wurde das Multiblockprogramm von vorneherein auf die Verwendung massiv paralleler Systeme ausgelegt. Aber auch eine bereits vorhandene Optimierung für Vektorsysteme wurde weitergeführt. Durch die verschiedenen Größen der in Multiblocknetzen auftretenden Netzblöcke wurde hierbei eine komplexe Lastverteilungsstrategie notwendig. Hierzu wurden Algorithmen entwickelt, die Blöcke je nach Anforderung zerlegen können. Welcher Block welchem Prozess zur Berechnung zugeteilt wird, entscheiden Partitionierungsalgorithmen, die als Tool bereits verfügbar waren und über eine Schnittstelle in das Programm integriert worden sind. Die Schnittstelle dazu wurde so gestaltet, dass hier jederzeit neue Algorithmen einfach integriert werden können. In einem weiteren Teil der Arbeit werden Technologien vorgestellt, die für URANUS entwickelt wurden, um das Strömungssimulationsprogramm effizient in einer Metacomputingumgebung einsetzen zu können. Mit Hilfe des neuen parallelen Multiblock URANUS Verfahrens wurden bereits wichtige Simulationsergebnisse für den Wiedereintritt von modernen Raumgleitern erzielt, die ohne dieses Werkzeug nicht möglich gewesen wären.Item Open Access Beschreibung des Risseinleitungsverhaltens von warmfesten Stählen unter Kriechermüdungsbeanspruchung(2002) Schellenberg, Geert; Maile, Karl (Dr.-Ing. PD)An den warmfesten Kraftwerksstählen 30CrMoNiV4-11 und X10CrMoVNb9-1 wurde das Risseinleitungs- und Rissausbreitungsverhalten unter Kriechermüdungsbeanspruchung untersucht. Geprüft wurden Proben vom Typ CT und DENT in unterschiedlichen Abmessungen unter kraftkontrollierter Zugschwellbeanspruchung. Beanspruchungen mit Haltezeiten zwischen 0,1 h und 10 h decken den für die Versagensvorhersage besonders interessierenden Bereich der Interaktion zyklischer und statischer Schädigung ab. Die Durchführung langzeitiger Versuche mit Laufzeiten bis ca. 8000 h bzw. 30000 LW bietet unter Berücksichtigung der zeitabhängigen Entfestigungsvorgänge im Kriechbereich eine notwendige Grundlage für die Übertragbarkeit der experimentellen Ergebnisse auf das Bau-teilverhalten. Für Beanspruchungen mit Lastwechselfrequenzen f > 0,01 Hz ohne eingeschobene Zughaltezeiten ist kein Frequenzeinfluss auf das Risseinleitungsverhalten erkennbar. Für Beanspruchungen mit niedrigeren Lastwechselfrequenzen und eingeschobenen Zughaltezeiten ist ein zunehmender Einfluss statischer Schädigung zu erkennen, der, verglichen mit zyklischen Beanspruchungen, zu einer Verringerung der Anrisslastspielzahl N_A führt. Die Anrisslastspielzahl N_A bzw. die Risseinleitungsdauer t_A sind in diesem Bereich eine Funktion der Belastungsfrequenz f bzw. der Zughaltezeit t_H. Beanspruchungen mit sehr langen Haltezeiten bzw. Lastwechselfrequenzen < 10^-5 Hz lassen sich ausreichend genau durch statische Kriechrissergebnisse beschreiben. Anhand von metallografischen und fraktografischen Untersuchungen sowie durch Vergleich mit Referenzdaten wurde festgestellt, dass für f > 10^-3 Hz transkristalline Rissausbreitung, für f < 10^-3 Hz interkristalline Rissausbreitung dominiert. Mit Hilfe des Zwei-Kriterien-Verfahrens könne der Risseinleitungszeitpunkt sowie die Schä-digungsart (Leck-vor-Bruch oder Bruch-vor-Leck) für Bauteile unter Kriechbeanspruchungen vorhergesagt werden. Dabei werden die Beanspruchungen an der Rissspitze (Parameter K_I) sowie im Fernfeld der Komponente (Nennspannung Sig_n) auf den jeweiligen, zeitabhängigen Werkstoffkennwert K_IA bzw. R_mtT bezogen. Dieses, bisher nur für zeitlich konstante Belastungen überprüfte, Verfahren wurde auf Kriechermüdungsbeanspruchungen erweitert. Dazu wurde der Kennwert K_IA, der den Werkstoffwiderstand gegenüber Risseinleitung kennzeichnet, auf der Basis der Ergebnisse der vorliegenden Versuche modifiziert, sodass auch Zug-schwellbeanspruchungen mit f < 10^-3 Hz sicher beschrieben werden können. Spannungsumlagerungsprozesse und Unterschiede in der Querdehnungsbehinderung führen im Kriechbereich zu einer Größenabhängigkeit der Rissinitiierungsdauer. Daraus resultiert bei Verwendung des Zwei-Kriterien-Verfahrens für große Proben / Bauteile eine konservative Voraussage des Rissinitiierungszeitpunktes.Item Open Access Beschreibung des Verformungs-, Festigkeits- und Versagensverhaltens von Komponenten im Kriechbereich unter instationärer Beanspruchung mit einem elastisch-viskoplastischen Werkstoffmodell(2003) Schemmel, Jürgen; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)Der Beanspruchungsverlauf in Turbinenwellen kann charakterisiert werden durch einen stationären Betrieb im Kriechbereich und eine begrenzte Anzahl von An- und Abfahrten, die dem LCF-Bereich zuzuordnen sind. Der Werkstoff unterliegt dabei komplexen mechanischen und thermischen Beanspruchungen. Im stationären Betrieb ändert sich der mehrachsige Spannungszustand infolge zeitabhängiger Verformungsvorgänge, wodurch die Spannungsspitzen deutlich reduziert werden. Durch An- und Abfahrten wird der Spannungszustand des stationären Betriebs gestört, wobei eine zusätzliche Plastifizierung des Werkstoffs auftreten kann. Daneben tritt eine Ermüdungsschädigung auf, die das nachfolgende Kriechen negativ beeinflusst. Für den weiteren Betrieb hat dieses gegenüber einer Fahrweise ohne Laständerungen einen veränderten Spannungszustand und abweichendes Kriechverhalten zur Folge. Zur Beschreibung des Verformungs- und Versagensverhaltens von Turbinenwellen sind auf Kriechgleichungen basierende konventionelle Berechnungsansätze ungeeignet, da diese die Wechselwirkung zwischen Kriechen und Ermüden sowie deren Gesamtwirkung auf das Verformungs- und Versagensverhalten nicht erfassen. Einen Ausweg bieten viskoplastische Werkstoffmodelle. Im Gegensatz zu den Ansätzen der klassischen Plastizitäts- und Kriechtheorie, die beide Vorgänge als unabhängig voneinander betrachten, beschreiben derartige Werkstoffmodelle alle auftretenden Effekte im Materialverhalten durch übergeordnete Formulierungen. Durch diese Vereinheitlichung der zeitunabhängigen und zeitabhängigen bleibenden Dehnungen können die Wechselwirkungen zwischen Kriechen und Ermüden erfasst werden. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, ein derartiges viskoplastisches Werkstoffmodell zu ertüchtigen und zu verifizieren, welches das Verformungs- und Versagensverhalten von typischen Dampfturbinenwerkstoffen unter mehrachsiger Kriechermüdungsbeanspruchung in Turbinenwellen beschreibt. Zur Ermittlung des Werkstoffverhaltens von Turbinenwellen unter praxisnahen Bedingungen wurden für die Versuchswerkstoffe 30CrMoNiV5-11 und X12CrMoWVNbN10-1-1 bei werkstoffcharakteristischen Anwendungstemperaturen von 550 bzw. 600 °C Kriechermüdungsversuche an Hohlzylinderproben durchgeführt. Dabei wurden die Proben einer über der Zeit veränderlichen kombinierten Beanspruchung unterworfen, die einem aus der Praxis abgeleiteten Beanspruchungszyklus entspricht. Bei den Versuchen trat Versagen deutlich früher ein, als durch eine lineare Überlagerung von Erschöpfungsanteilen für Kriechen und Ermüden abgeschätzt wurde. Zur Beschreibung des Verformungs- und Schädigungsverhaltens unter Kriechermüdungsbeanspruchung wurde ein elastisch-viskoplastisches Werkstoffmodell ertüchtigt. Da das Kriechen für niedrige Beanspruchung vorwiegend diffusionsgesteuert, für hohe Lasten dagegen versetzungsgesteuert ist, wurden zur besseren Beschreibung des Kriechverhaltens zwei inelastische Dehnraten modelliert. Dabei ergibt die Summe der beiden inelastischen Dehnraten die Kriechgeschwindigkeit. Das Festigkeitsänderungsverhalten des Werkstoffs unter statischer und zyklischer Beanspruchung wurde in der Modellierung durch kinematische und isotrope Variablen erfasst. Zusätzlich enthält das Modell zwei Schädigungsparameter zur Beschreibung der Kriech- und Ermüdungsschädigung. Diese können zur Berücksichtigung der Wechselwirkungen zwischen Zeitstand- und Ermüdungsschädigung nichtlinear überlagert werden, wodurch die gesamte schädigende Wirkung auf das Verformungs- und Versagensverhalten besser beschrieben werden kann. Die Ermittlung der Modellparameter erfolgte durch Anpassung an eine umfangreiche Werkstoffdatenbasis, bestehend aus Warmzug-, Ermüdungs- und Zeitstandversuchen. Es konnte gezeigt werden, dass mit den ermittelten Parametern das einachsige Werkstoffverhalten hervorragend beschrieben werden kann. Mit dem für die Werkstoffe 30CrMoNiV5-11 und X12CrMoWVNbN10-1-1 angepassten Werkstoffmodell wurden die mehrachsigen Kriechermüdungsversuche nachgerechnet. Dabei konnten die Verformungsverläufe der Kriechermüdungsversuche für die beiden Werkstoffe gut bis zum Erreichen des tertiären Kriechbereichs unter Verwendung der Vergleichsspannungshypothese nach von Mises beschrieben werden. Der Zeitpunkt des tertiären Kriechens und des Versagens wurde zunächst nur unbefriedigend wiedergegeben. Durch eine stärkere Berücksichtigung des Einflusses der Ermüdungsschädigung auf das nachfolgende Kriechverhalten konnte zusätzlich das tertiäre Kriechen der Kriechermüdungsversuche gut erfasst werden. Mit einer erweiterten Schädigungsbetrachtung konnte das Versagensverhalten mit einer Abweichung von nur 10 % zum Experiment berechnet werden. Ein wesentlicher Vorteil des ertüchtigten Werkstoffmodells ist, dass es eine geschlossene Beschreibung des Ablaufs der Verformung- und Schädigungsvorgänge bei zeitabhängiger Beanspruchung von Bauteilen ermöglicht.Item Open Access Bewertung von geschweißten Kranbahnen unter mehrachsiger Ermüdungsbeanspruchung durch Radlasten(2015) Rettenmeier, Philipp; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)Ziel dieser Arbeit ist die Erstellung einer Bewertungsmethodik für Kranbahnen aus Stählen, die von Laufrädern der Krane zyklisch überrollt werden. Im Rahmen der Methodik erfolgt die Unterteilung der Gesamtlebensdauer in Anriss- und Risswachstumslebensdauer. Die Anrisslebensdauer wird mithilfe von lokalen Konzepten in Kombination mit der Methode der kritischen Schnittebene bewertet. Anschließend wird die Risswachstumslebensdauer durch numerische Verfahren der Bruchmechanik untersucht. Die Anwendung der Methodik erfolgt an Kranbahnen mit praxisrelevanten Abmessungen, die durch die zyklische Überrollung von Kranlaufrädern einer mehrachsigen Ermüdungsbeanspruchung unterliegen. Zur Bewertung der Ermüdungsfestigkeit von Kranbahnen, die aus Walzträgern mit aufgeschweißten Schienen vorlagen, wurden Überrollversuche mit bewegter Radlast unter konstanter Belastung durchgeführt. Als Versagenskriterien wurden sowohl der „erste Durchriss“ der Schweißnähte als auch das vollständige „Ablösen der Schiene“ im Überrollbereich definiert. Die Schwingspielzahlen der Versagenskriterien wurden über Druckluftmessungen und zerstörungsfreie Prüfmethoden festgestellt. Aus den Bauteilen der Prüfträger wurden Laborproben für die statische und zyklische Werkstoffcharakterisierung entnommen. Das zyklische Werkstoffverhalten wurde mittels dehnungskontrollierter Ermüdungsversuche mit Proben aus dem Schweißgut und der Schiene ermittelt. Zudem wurden Risswachstumsraten anhand von Versuchen mit C(T)-Proben aus dem Schweißgut ermittelt. In fraktografischen Untersuchungen wurde gezeigt, dass die in den Schweißnähten detektierten Risse auf die Ermüdungsbeanspruchung zurückzuführen waren. In numerischen Untersuchungen wurde das Eigenspannungsfeld der untersuchten Prüfträger im Bereich der Schweißnähte berechnet und mit Ergebnissen von Messungen unter Verwendung der Bohrlochmethode überprüft. Die Ermittlung der linear-elastischen Bauteilbeanspruchung wurde mit dem Kerbspannungskonzept und dem Kerbradius von 1 mm durchgeführt. Um die elastisch-plastische Kerbgrundbeanspruchung zu berechnen, wurde der Kerbradius zu 0,05 mm modelliert, der an gemessene, lokale Nahtgeometrien angepasst wurde. Hierzu wurde im FE-Programm Abaqus ein Werkstoffmodell mit kinematischer Verfestigung an Ergebnisse der Ermüdungsversuche mit Laborproben angepasst. Zur Bewertung der Bauteilbeanspruchung wurden Schädigungsparameter mit Berücksichtigung von Beanspruchungsgradienten aus lokalen Spannungs-Dehnungs-Hysteresen ermittelt. Die Berechnung der Anrissphase der Prüfträger bis zur Anrisstiefe von 1 mm erfolgte durch Vergleich mit einachsigen Schädigungsparameter-Mittelwertskurven, die aus den dehnungskontrollierten Ermüdungsversuchen abgeleitet wurden. Die Risswachstumsphase von der Anrisstiefe bis zum ersten Nahtdurchriss wurde durch Anwendung von bruchmechanischen Methoden bewertet. Mit der dargestellten Methodik wurde die Ermüdungsbewertung der untersuchten Prüfträger für das Versagenskriterium „erster Durchriss“ durchgeführt. Die zuvor berechneten Schwingspielzahlen der Anriss- und Risswachstumsphase wurden addiert und durch Gegenüberstellung mit Versuchsergebnissen überprüft. Es wurde festgestellt, dass die berechneten Ergebnisse im Streubereich der Schwingspielzahlen der Überrollversuche lagen.Item Open Access Clusterbildung in granularen Gasen(2004) Miller, Stefan; Luding, Stefan (PD Dr.)Diese Arbeit beschäftigt sich mit granularen Medien geringer Dichte - den so genannten granularen Gasen. Die Dynamik dieser dissipativen Systeme ist durch komplexe Strukturbildung gekennzeichnet: Aus einem anfänglich homogenen System bilden sich mit der Zeit Dichte- und Temperaturschwankungen heraus, die immer weiter anwachsen, bis sie schließlich Systemgröße erreicht haben. Im ersten Teil der Arbeit stellen wir mit der parallelisierten Ereignisdynamik ein Verfahren vor, mit dem sich granulare Gase effizient simulieren lassen. Im zweiten Teil der Arbeit untersuchen wir die Eigenschaften granularer Gase zum einen mit Hilfe theoretischer Konzepte wie kinetischer Gastheorie, linearer Stabilitätsanalyse der hydrodynamischen Bewegungsgleichungen, einer Clusterpopulationsdynamik und der Perkolationstheorie. Zum anderen führen wir umfangreiche Computersimulationen durch, um die Clusterbildung besser zu verstehen. Insgesamt erhalten wir mit Hilfe dieser Untersuchungsmethoden einen dreistufigen Verlauf des Clusterwachstums: Zunächst das homogene Regime das gut durch die Vorhersagen der kinetischen Gastheorie beschrieben wird, dann das Clusterwachstum, in dem sich ein großer Perkolationscluster herausbildet und schließlich das Sättigungsregime, wenn dieser Systemgröße erreicht hat.Item Open Access Computational visualization of scalar fields(2014) Ament, Marco; Weiskopf, Daniel (Prof. Dr.)Scalar fields play a fundamental role in many scientific disciplines and applications. The increasing computational power offers scientists and digital artists novel opportunities for complex simulations, measurements, and models that generate large amounts of data. In technical domains, it is important to understand the phenomena behind the data to advance research and development in the application domain. Visualization is an essential interface between the usually abstract numerical data and human operators who want to gain insight. In contrast, in visual media, scalar fields often describe complex materials and their realistic appearance is of highest interest by means of accurate rendering models and algorithms. Depending on the application focus, the different requirements on a visualization or rendering must be considered in the development of novel techniques. The first part of this thesis presents three novel optical models that account for the different goals of photorealistic rendering and scientific visualization of volumetric data. In the first case, an accurate description of light transport in the real world is essential for realistic image synthesis of natural phenomena. In particular, physically based rendering aims to produce predictive results for real material parameters. This thesis presents a physically based light transport equation for inhomogeneous participating media that exhibit a spatially varying index of refraction. In addition, an extended photon mapping algorithm is introduced that provides a solution of this optical model. In scientific volume visualization, spatial perception and interactive controllability of the visual representation are usually more important than physical accuracy, which offers researchers more flexibility in developing goal-oriented optical models. This thesis presents a novel illumination model that approximates multiple scattering of light in a finite spherical region to achieve advanced lighting effects like soft shadows and translucency. The main benefit of this contribution is an improved perception of volumetric features with full interactivity of all relevant parameters. Additionally, a novel model for mapping opacity to isosurfaces that have a small but finite extent is presented. Compared to physically based opacity, the presented approach offers improved control over occlusion and visibility of such interval volumes. In addition to the visual representation, the continuously growing data set sizes pose challenges with respect to performance and data scalability. In particular, fast graphics processing units (GPUs) play a central role for current and future developments in distributed rendering and computing. For volume visualization, this thesis presents a parallel algorithm that dynamically decomposes image space and distributes work load evenly among the nodes of a multi-GPU cluster. The presented technique facilitates illumination with volumetric shadows and achieves data scalability with respect to the combined GPU memory in the cluster domain. Distributed multi-GPU clusters become also increasingly important for solving compute-intense numerical problems. The second part of this thesis presents two novel algorithms for efficiently solving large systems of linear equations in multi-GPU environments. Depending on the driving application, linear systems exhibit different properties with respect to the solution set and choice of algorithm. Moreover, the special hardware characteristics of GPUs in combination with the rather slow data transfer rate over a network pose additional challenges for developing efficient methods. This thesis presents an algorithm, based on compressed sensing, for solving underdetermined linear systems for the volumetric reconstruction of astronomical nebulae from telescope images. The technique exploits the approximate symmetry of many nebulae combined with regularization and additional constraints to define a linear system that is solved with iterative forward and backward projections on a distributed GPU cluster. In this way, data scalability is achieved by combining the GPU memory of the entire cluster, which allows one to automatically reconstruct high-resolution models in reasonable time. Despite their high computational power, the fine grained parallelism of modern GPUs is problematic for certain types of numerical linear solvers. The conjugate gradient algorithm for symmetric and positive definite linear systems is one the most widely used solvers. Typically, the method is used in conjunction with preconditioning to accelerate convergence. However, traditional preconditioners are not suitable for efficient GPU processing. Therefore, a novel approach is introduced, specifically designed for the discrete Poisson equation, which plays a fundamental role in many applications. The presented approach builds on a sparse approximate inverse of the matrix to exploit the strengths of the GPU.Item Open Access Distributed computing and transparency rendering for large displays(2015) Kauker, Daniel; Ertl, Thomas (Prof. Dr.)Today’s computational problems are getting bigger and the performance required to solve them increases steadily. Furthermore, the results are getting more detailed, so that methods for rendering, visualization, and interaction methods need to adapt. While the computational power of a single chip also increases steadily, the most performance is gained by parallelization of the algorithms. Although Graphics Processing Units are built and specialized for the task of graphics rendering, their programmability makes them also suitable for general purpose computations. Thus, a typical workstation computer offers at least two processing units, the Central Processing Unit and the Graphics Processing Unit. Using multiple processing units for a task is commonly referred to as "distributed computing". One of the biggest challenges when using such heterogeneous and distributed systems is the variety of software and ways to use them for an optimal result. The first section of the thesis focuses on an abstraction layer to simplify software development on heterogeneous computing systems. The presented framework aims to encapsulate the vendor-specific details and the hardware architecture, giving the programmer a task-oriented interface which is easy to use, to extend, and to maintain. Having the results computed in a distributed environment, the interactive visualization becomes another challenge, especially when semi-transparent parts are involved, as the rendering order has to be taken into account. Additionally, the distributed rendering nodes do not know the details about their surroundings like the existence or complexity of objects in front. Typically, the large scale computations are distributed in object space so that one node works exclusively on one part of the scene. As it is too costly to collect all computation results on a single node for rendering, those nodes also have to do the rendering work to achieve interactive framerates. The resulting parts of the visualization are then sent to specialized display nodes. These display nodes are responsible for compositing the final image, e.g. combining data from multiple sources, and show them on display devices. In this context, rendering transparency effects with objects that might intersect each other within a distributed environment is challenging. This thesis will present an approach for rendering object-space decomposed scenes with semi-transparent parts using "Per-Pixel Linked Lists". Presenting these visualizations on large display walls or on a remote (mobile) device raises the final challenge discussed in this thesis. As the scenes can be either complex or very detailed and thus large in terms of memory, a single system is not always capable of handling all data for a scene. Typically, display walls that can handle such amounts of data consist of multiple displays or projectors, driven by a number of display nodes, and often have a separate node where an operator controls which part of the scene is displayed. I will describe interaction methods where the user can directly control the visualization on a large display wall using mobile devices without an operator. The last part of the thesis presents interaction concepts using mobile devices for large displays, allowing the users to control the visualization with a smartphone or tablet. Depending on the data and visualization method, the mobile device can either visualize the data directly or in a reduced form, or uses streaming mechanisms so that the user has the same visual impression as a user in front of the display wall. With the mobile application, the user can directly influence any parameter of the visualization and can thus actively steer an interactive presentation. In this thesis, I will present approaches for employing heterogeneous computing environments, from a single PC to networked clusters, how to use order-independent transparency rendering for local and distributed visualization, as well as interaction methods for large display walls and remote visualization devices. The approaches for heterogeneous computing environments make the development easier, especially in terms of support of different hardware platforms. The presented distributed rendering approach enables accurate transparency renderings with far less memory transfer than existing algorithms. For the interaction methods, the usage of ubiquitous mobile devices brings the described approaches to all types of display devices without the need for special hardware. Additionally, a concept for an integrated system containing the contributions of the thesis is proposed. It uses the abstraction layer as a middle ware for the computation and visualization operations in the distributed rendering environments. The user controls the application using the methods for mobile device interactions.Item Open Access Einfluss des Aluminiumgehaltes gespritzter Zinküberzüge auf den Korrosionsschutz von Stahl(2006) Büteführ, Marita; Reinhardt, Hans-Wolf (Prof. Dr.-Ing. Prof. h.c. E.h.)Im Rahmen dieser Arbeit werden im wesentlichen zwei Fragestellungen untersucht. Zum einen wird der Legierungseinfluss auf das Korrosionsverhalten von Spritzüberzügen in praxisnahen Medien des Bauwesens zur Ermittlung optimierter Legierungszusammensetzungen untersucht, zum anderen der legierungsabhängige Mechanismus der Korrosion und Deckschichtbildung, da das hervorragende Korrosionsverhalten der aluminiumreichen Schichten offenbar mit einer Besonderheit des Abtrags- und Deckschichtbildungsmechanismus einhergeht. Für die Untersuchungen wurden sieben verschiedene Spritzüberzüge auf unlegierten Stahl zum Zwecke des Korrosionsschutzes aufgebracht und ausgelagert. Das Korrosionsverhalten wurde in Abhängigkeit der Legierungszusammensetzung und der Korrosionsbelastung anhand der Veränderung des Erscheinungsbildes der Schichten und dem korrosionsbedingten Abtrag nach 2 und 5 Jahren Auslagerungen bewertet. Die Ergebnisse zeigen, dass durch das Zulegieren von Al zu Zn für die untersuchten Anwendungsgebiete im Bauwesen eine deutlich bessere Korrosionsbeständigkeit erzielt werden kann. Ein Maximum der Schutzwirkung wurde bei mittleren Al-Gehalten von 15 bzw. 22 M.-% erzielt, mit Abtragsraten unter 1 µm/a. Die ZnAl 4-Spritzschicht wies immerhin in Stadtatmosphäre, Meeresatmosphäre und in der Spritzwasserzone des Meeres Abtragsraten unter 1 µm/a auf, während die ZnAl 2-Spitzschicht in allen Atmosphären Abtragsraten über 1 bis 20 µm/a aufwies. Das Zulegieren von über 22 % Al brachte keine zusätzlichen Verbesserungen im Korrosionsverhalten. Die durchgeführten Untersuchungen haben außerdem gezeigt, dass einem sehr geringen Abtrag überwiegend ein mittlerer oder sogar starker innerer Angriff gegenüber steht. Dieser stärkere innere Korrosionsangriff ist verbunden mit einem besseren Korrosionsverhalten, da diese von Korrosionsprodukten durchzogenen Spritzschichten offensichtlich schützend wirken. Zur Charakterisierung des Korrosionsmechanismus von ZnAl-Spritzschichten werden drei verschiedene Modelle diskutiert und anhand der elektrochemischen Untersuchungen beurteilt: der kathodische Schutz, eine Passivierung durch stabile Deckschichten und eine Inhibition der kathodischen Teilreaktion der Korrosion. Die Stromdichte-Potentialkurven lassen für keine Legierung eine Verschiebung des Freien Korrosionspotentials in kathodische Richtung erkennen. Des weiteren wird nur eine geringe Verringerung der Stromdichte im Anodischen insbesondere bei mittleren Al-Gehalten erkennbar. Gleichwohl wurde eine selektive Korrosion der zinkreichen Phasen festgestellt. Da eine ausgeprägte Hemmung der kathodischen Teilreaktion in Verbindung mit einer prozentualen Al-Anreicherung und einer Zn-Verarmung über die gesamte Schicht festgestellt wurde, beruht der Mechanismus der Korrosion von ZnAl-Spritzschichten im wesentlichen auf einer Inhibition durch Aluminiumhydroxid. Durch den zunehmenden Al-Anteil in der Schicht und das damit verbundene Vorherrschen inhibierender Korrosionsprodukte wird die kathodische Teilreaktion und damit auch die Korrosion des gespritzten ZnAl-Überzuges zunehmend unterbunden.Item Open Access Enhanced SLA management in the high performance computing domain(2011) Koller, Bastian; Resch, Michael (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c.)This thesis describes a Service Level Agreement Schema for the High Performance Computing domain and the according architecture to allow for SLA Management, which are both developed on base of three different use cases.Item Open Access Entstehung und Vermeidung von Rissen in Membranrohrwänden von Abhitzekesseln(2003) Langenstein, Magnus; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)An den Kesselunterteilen der Abhitzekessel, die um 20° bis 30° gegenüber der Vertikalen geneigt sind, treten dabei unterschiedliche Schadensbilder und Schadenshäufigkeiten auf. Während im vorderen und hinteren Bereich der Abhitzekessel der erosive Verschleiß auf Grund der im Rauchgas mitgeführten Staubpartikel groß ist, treten ausschließlich im hinteren Bereich auch querorientierte Risse auf. Zum Aufbau eines deterministischen Lebensdauerbewertungsmodells für diese Bereiche, unter Berücksichtigung des hohen Verschleißes und der Querrissbildungen, wurden in zwei deutschen Stahlwerken zahlreiche Temperaturmessungen mit Thermoelementen und einer Infrarotkamera durchgeführt. Die Messungen wurden im Stahlwerk A sowohl an glatten als auch an innenberippten Rohren mit rauchgasseitiger Beschichtung, auf der rauchgaszugewandten und der rauchgasabgewandten Seite durchgeführt. Dabei wurden Temperaturen auf dem rauchgaszugewandten Rohrscheitel von maximal 450°C und auf dem rauchgasabgewandten Rohrscheitel von bis zu 190°C gemessen. Die Analyse der Messergebnisse mittels Finit-Elemente Analysen ergab, dass sich die gemessenen Temperaturen nur bei Vorliegen einer Schichtenströmung innerhalb der Kühlrohre einstellen können. Die Temperaturmessungen im Stahlwerk B erfolgten auf der rauchgasabgewandten Seite ausschließlich an glatten Rohren ohne Beschichtung. Hierbei wurden maximale Rohrscheiteltemperaturen von 245°C gemessen. Auf Basis der Messergebnisse wurden Parameterstudien mittels Finiter Elemente (FE) Analysen durchgeführt. Mit den Ergebnissen aus den Parameterstudien ist es möglich, von den auf der rauchgasabgewandten Seite gemessenen Temperaturen auf die rauchgasseitigen Temperaturen zu schließen. Somit ist die Ermittlung der behinderten Wärmedehnung im Rohrquerschnitt und die Berechnung der Lebensdauer der Rohre möglich. Die Anwendung des abgeleiteten deterministischen Lebensdauerbewertungsmodells auf die zwei unterschiedlichen Kesselunterteilausführungen ergibt, - dass die Lebensdauer beschichteter Rohre durch ein Versagen auf Grund von Querrissen begrenzt wird. - dass die festgestellten Risse und Risslängen der beschichteten Rohre mit theoretisch abgeleiteten Anrisslastwechselzahlen zur Bildung erster Anrisse nicht korreliert werden können. Nur unter der Annahme, dass Anrisse in der Beschichtung schon vor der ersten Inbetriebnahme vorliegen, können die metallographisch festgestellten Risstiefen mit dem Lebensdauermodell theoretisch ermittelt werden. - dass die Lebensdauer unbeschichteter Rohre durch den Verschleiß begrenzt wird. Zur Bestimmung der verfahrenstechnischen Einflussgrößen, die auf eine mögliche Dampfbildung und somit auf die Schichtenströmung innerhalb der Kühlrohre besonders großen Einfluss haben, wurden mit Hilfe eines thermodynamischen Berechnungsverfahrens, der sogenannten Prozessdatenvalidierung, zwei Parameterstudien durchgeführt. Für die Stahlwerke A Heißwasserteile konnte dabei der Kühlwassermassenstrom identifiziert werden. Hier sollte bei der Auslegung von Heißwasserteilen darauf geachtet werden, dass zur individuellen Einstellung des Kühlwassermassenstroms für das vordere und das hintere Kesselunterteil getrennte Speisewassereintrittssammler vorgesehen werden. Für die Stahlwerke B Kesselunterteile, die zur Dampferzeugung verwendet werden, konnten als verfahrenstechnisch wichtigste Einflussgrößen die Speisewassereintrittstemperatur und der Speisewasserdruck identifiziert werden. Die Speisewassertemperatur und der Speisewasserdruck ist so festzulegen, dass der Sättigungszustand, abhängig von der jeweils herrschenden Wärmestromdichte, unter keinen Umständen erreicht wird. Weitere, experimentell noch zu untersuchende konstruktive Lösungsansätze zur Vermeidung oder Verringerung der auftretenden Schäden sind: - Anbringen der Stege nicht wie bisher in der neutralen Phase, sondern anschweißen der Stege an die rauchgasabgewandten Rohrscheitel. Damit erhöht sich zum einen die Wärmeübertragungsfläche und zum anderen dürften die Temperaturdifferenzen zwischen rauchgaszugewandtem und rauchgasabgewandten Rohrscheitel geringer werden. - Anbringung einer Isolierung auf der rauchgasabgewandten Seite. Damit besteht ebenfalls die Möglichkeit, die Temperaturdifferenzen zwischen rauchgaszugewandtem und rauchgasabgewandten Rohrscheitel zu verringern. - Entwicklung einer Beschichtung, die den herrschenden Bedingungen standhält.Item Open Access Entwicklung eines Lebensdauerkonzeptes für Schaufel-Welle-Verbindungen stationärer Turbinen aus Nickelbasis- und 10 %-Chromlegierungen(2006) Rauch, Markus; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)Im Bereich von Gas- und Dampfturbinen sind die Rotoren, besonders während der Anfahr- und Abschaltphasen, hohen mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt. Dies führt zu elastisch-plastischen Ermüdungs- bzw. Kriechermüdungsbeanspruchungen, welche im Bereich der Schaufelanbindung an den Rotor deutlich ausgeprägt zu finden sind. Ziel dieser Arbeit war daher, ein Berechnungsverfahren auf Basis inelastischer Finite Elemente-Analysen bei betriebsnaher Beanspruchung zu entwickeln. Hierbei bestand die Neuerung für Gasturbinen aus Nickelbasislegierungen darin, dass der wechselseitige Einfluss benachbarter Schaufeln sowie die Thermoschutzschicht im Kontaktbereich zwischen Schaufel und Scheibe berücksichtigt wurden. Darüber hinaus wurde dieses Lebensdauerkonzept zur Anwendung auf martensitische 10 %-Chromstähle von Dampfturbinen erweitert. Dies ist insofern wichtig, da sich aufgrund des zyklisch ständig entfestigenden Werkstoffverhaltens kein stabiler Zustand berechnen und auswerten lässt. Zunächst wurde je eine Modellkörpergeometrie entwickelt, die die wesentlichen lokalen Beanspruchungen in realen Gas- bzw. Dampfturbinen richtig wiedergeben. Die Nachrechnung der an diesen Modellkörpern durchgeführten zyklischen Versuche wurde unter Anwendung eines viskoplastischen Stoffgesetzes durchgeführt und diente zur Verifikation des Lebensdauerkonzeptes. Dadurch wurde für die Gasturbinenkonfiguration ein stabiler Zustand erreicht, der mit Hilfe des Schädigungsparameters nach Smith, Watson und Topper ausgewertet wurde. Entsprechend den Versuchsergebnissen konnte durch diese Berechnungsmethode gezeigt werden, dass die Beschichtung der Schaufelfüße keinen Einfluss auf die Lebensdauer bei zyklischer Beanspruchung darstellt. Aufgrund der ständigen zyklischen Entfestigung bis zum Anriss und der stärkeren Kriechneigung des bei der Dampfturbine eingesetzten martensitischen Stahles X12CrMoWVNbN10-1-1 kann in zyklischen Finite Elemente-Berechnungen kein stabiler Zustand erreicht werden. Daher wurde die Weiterentwicklung des Lebensdauerkonzeptes für dieses Werkstoffverhalten erforderlich. Unter Ausnutzung eines im viskoplastischen Stoffgesetz implementierten Ermüdungsschädigungsparameters und dessen Extrapolation auf einen werkstoff- und temperaturabhängigen Grenzwert, konnte die Anrisslastwechselzahl von typischen Dampfturbinenwerkstoffen vorhergesagt werden. Der Vergleich mit derzeit eingesetzten Auslegungsmethoden zeigt, dass das entwickelte Lebensdauerkonzept eine deutliche Verbesserung der Vorhersagegenauigkeit unter betriebsnaher Beanspruchung von Turbinen bietet.Item Open Access Entwicklung eines Verfahrens zur Lebensdauervorhersage für Schaufel-Scheibe-Verbindungen bei Gasturbinen(2002) Issler, Stephan; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)Rotoren von Gasturbinen unterliegen im Betrieb komplexen mechanischen und thermischen Beanspruchungen. Dabei steht bei der Lebensdauerberechnung von An- und Abfahrvorgängen die Verbindung zwischen Schaufel und Scheibe, kurz Schaufel-Scheibe-Verbindung, im Mittelpunkt des Interesses. Insbesondere in der Scheibe kommt es zu hohen Ermüdungs- bzw. Kriechermüdungsbeanspruchungen, die an den hochbelasteten Stellen zu elastisch-plastischen Wechselverformungen führen können. Für eine Lebensdauervorhersage sind die verfügbaren konventionellen Berechnungsansätze unbrauchbar, da die wesentlichen Einflüsse auf die Schädigung nur unzureichend oder gar nicht berücksichtigt werden. Ein Ausweg bietet sich in der Entwicklung eines Berechnungsverfahrens auf der Basis von inelastischen FE-Analysen. Dabei werden komplexe Werkstoffmodelle benötigt, die das statische, zyklische und viskoplastische Werkstoffverhalten berücksichtigen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, ein derartiges fortschrittliches Berechnungskonzept zu entwickeln und durch LCF-Versuche an bauteilähnlichen Modellkörpern für Schaufel-Scheibe-Verbindungen zu verifizieren. Durch Vergleich der rechnerischen Vorhersagen mit Experimenten wurden die Berechnungskonzepte auf ihre Tauglichkeit hin überprüft. Dabei konnte mit dem Schädigungsparameter von Smith, Watson und Topper auf der Basis der größten Hauptspannung sowie der größten Hauptdehnung eine gute Übereinstimmung von rechnerischen Vorhersage und Experiment erzielt werden. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass eine zutreffende Charakterisierung der Reibungsverhältnisse eine unabdingbare Voraussetzung für eine treffsichere Lebensdauervorhersage von Schaufel-Scheibe-Verbindungen darstellt. Mit dem im Rahmen dieser Arbeit erarbeiteten und verifizierten Berechnungsverfahren ist es möglich, die Lebensdauer von Schaufel-Scheibe-Verbindungen bei Gasturbinen zuverlässig zu berechnen.Item Open Access Experimentelle und numerische Ermittlung der thermo-mechanischen Beanspruchung des Wurzelbereichs austenitischer Rundnähte(2001) Bonn, Ruthard; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)Im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen wurden Versuchsnähte an dünnwandigen austenitischen Rohren mit der Nennweite DN 250 erstellt. Während der Erstellung der Schweißnaht mittels der WIG-Orbital-Schweißtechnik wurden im Nahtbereich Temperaturen und Verformungen gemessen. Nach Fertigstellung der Schweißverbindung wurden die Schweißeigenspannungen auf der Rohrinnenoberfläche experimentell ermittelt. Die schweißbegleitenden Messungen lieferten eine breite Datenbasis zur Validierung von Berechnungsmodellen. Zur Beschreibung des Werkstoffverhaltens unter schweißtypischer Beanspruchung wurden Werkstoffuntersuchungen bis zu einer Prüftemperatur von 1300°C durchgeführt. Auf der Basis der Werkstoffversuche wurde ein aus der Literatur bekanntes phänomenologisches Stoffgesetz zur Beschreibung von gemischter nichtlinearer kinematischer und isotroper Verfestigung modifiziert und in den FE-Code ABAQUS implementiert. Eine Finite Elemente Analyse der Versuchsschweißung zeigte, dass die thermische Beanspruchung der Nahtumgebung sowie die Verformungsmechanismen im nahtnahen Bereich numerisch sehr gut wiedergegeben werden können.Item Open Access Experimentelle und numerische Untersuchung des Relaxationsverhaltens von Rohrflanschverbindungen(2002) Purper, Harald; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)Um Rohrflanschverbindungen im Hochtemperaturbereich sicher auslegen- und überwachen zu können, ist ein detailliertes Wissen ihres Relaxationsverhaltens nötig. Aufgrund der Wechselwirkung zwischen dem Verformungsverhalten des Flanschkörpers, der Schrauben und der Dichtung ist die Bestimmung der Spannungsverteilung in einer Flanschverbindung äußerst komplex. Zur Absicherung konstruktiver Gestaltungsrichtlinien für Rohrflanschverbindungen wurden drei, in Werkstoff und geometrischer Gestaltung unterschiedliche Modellflanschverbindungen (Maßstab 1:2,5) unter Innendruck (55 bar) experimentell untersucht. Bei den Experimenten wurde das Verformungsverhalten der Flanschkörper sowie die Restspannung der Schrauben on-line mittels kapazitiver Hochtemperatur-Wegaufnehmer sowie durch Messungen bei Versuchsende bestimmt. Zusätzlich wurden für alle drei Flanschverbindungen analytische Untersuchungen auf der Basis der Finiten Elemente Analyse (FEM) durchgeführt. In den Berechnungen wurde das elastisch-viskoplastische Materialverhalten in Form von Kriechgesetzen berücksichtigt. Es ergab sich eine zufriedenstellende Übereinstimmung zwischen experimentellen Ergebnissen und den Berechnungen, die zeigten, daß die FEM eine verläßliche Methode ist, um das Langzeitverhalten von Rohrflanschverbindungen bestimmen zu können.