Nevena Perovic-Rott Show abstract Coupling of Models and Scales in Computational Fluid Dynamics
Betreuer: Rank, Ernst (Prof. Dr.)
Gutachter: Rank, Ernst (Prof. Dr.); Mehl, Miriam (Prof. Dr.); Mundani, Ralf-Peter (Priv.-Doz. Dr.)
Jahr: 2021



The scope of this thesis is the development of an entirely new simulation pipeline, which analyses multi-phase real-world fluid flow phenomena, within the MPFluid high-performance simulation framework. This includes the development of three separate numerical models: the 2D Shallow Water (2D-SWE), 3D Shallow Water (3D-SWE) and 3D Navier-Stokes (3D-NSE) models for incompressible, inviscid Newtonian flows, as well as three coupled numerical models: Darcy's Law (DL) with 3D-NSE, then 2D-SWE with 3D-SWE, and finally 2D-SWE with 3D-NSE. The common goal is to benefit from the low costs of the simple models and the high accuracy of the more complex ones.

Benjamin Paul Thomas Wassermann Show abstract Direct simulation on geometric representations with the finite cell method
Betreuer: Rank, Ernst (Prof. Dr.)
Gutachter: Rank, Ernst (Prof. Dr.); Düster, Alexander (Prof. Dr. habil.); Bletzinger, Kai-Uwe (Prof. Dr.)
Jahr: 2021



In this thesis, the finite cell method (FCM) is extended to different geometric representations, i.e., flawed B-reps, CSG models and V-reps. The latter are used for modeling and simulating functionally graded materials. The FCM is a variant of the finite element method that combines an embedded domain approach with higher-order shape functions. The only geometric information, required by the FCM, are specific point membership classifications, which were developed and implemented for the respective geometric representations.

John Njuguna Jomo Show abstract Towards scalable finite cell computations on massively parallel systems
Betreuer: Rank, Ernst (Prof. Dr.)
Gutachter: Rank, Ernst (Prof. Dr.); Verhoosel, Clemens V. (Assoc. Prof. Dr.); Mundani, Ralf-Peter (Priv.-Doz. Dr. habil.)
Jahr: 2021



This work presents algorithms and data structures for large-scale computations using the finite cell method and multi-level hp-refinement. It focuses on the design of efficient mesh-handling strategies and robust iterative solvers that address the conditioning problems due to cut cells. A scalable framework is presented that can perform computations with up to 98K processors. The developed methods are applied to second-order elliptic problems and in the field of metal additive manufacturing.

László Kudela Show abstract Image-based finite element analysis
Betreuer: Rank, Ernst (Prof. Dr.)
Gutachter: Rank, Ernst (Prof. Dr.); Stilla, Uwe (Prof. Dr.); Yosibash, Zohar (Prof., D.Sc.)
Jahr: 2020



This work demonstrates the steps of creating a finite element model for objects that do not possess a CAD representation. The complete process is demonstrated through an application that creates finite element models for objects that are immersed in a refractive medium. Further, a combination of the finite cell method and point-cloud-based geometry descriptions is proposed, allowing for direct numerical analysis of objects that are represented by point clouds, drastically simplifying the image-based analysis process.

Massimo Carraturo Show abstract Modelling, Validation, and Design for Additive Manufacturing
Betreuer: Rank, Ernst (Prof. Dr.); Reali, Alessandro (Prof.)
Gutachter: Rank, Ernst (Prof. Dr.); Reali, Alessandro (Prof.); Chiumenti, Michele (Prof. Dr.)
Jahr: 2020



Additive manufacturing (AM) technology has experienced an exponential growth over the last decade. Nevertheless, AM is still far from being considered a mature technology. Within the field of AM, numerical methods can be effectively employed to improve the understanding of the physical effects occurring during the manufacturing process, to optimize the process parameters in order to minimize defects in the final artifact, and to develop optimal design specifically suited for AM. The objective of the present work is to design novel numerical techniques in the field of AM.

Bobby Minola Ginting Show abstract Efficient Parallel Simulations of Flood Propagation Including Wet-Dry Problems
Betreuer: Rank, Ernst (Prof. Dr.)
Gutachter: Rank, Ernst (Prof. Dr.); Hinkelmann, Reinhard (Prof. Dr); Mundani, Ralf-Peter (Priv.-Doz. Dr. habil.)
Jahr: 2019



The aim of this work is to develop a shallow water model that utilizes advanced strategies specifically designed for a parallel computing framework on modern multi- and many-core architectures. The framework allows one to significantly reduce the computational time, which is not only beneficial for researchers and engineers when solving complex flow problems, but also for decision makers aiming to develop a well-integrated early warning system that is able to provide results more or less in real time.

Robert Seidl Show abstract Full Waveform Inversion for Ultrasonic Nondestructive Testing
Betreuer: Rank, Ernst (Prof. Dr.)
Gutachter: Rank, Ernst (Prof. Dr.); Bungartz, Hans-Joachim (Prof. Dr. habil.)
Jahr: 2018



This work investigates Full Waveform Inversion as a novel tool to detect flaws in a workpiece using nondestructive testing with ultrasound. Sensory measurements are combined with a simulation model of an intact workpiece which is adapted iteratively to generate these measurements to detect internal flaws. This high-dimensional nonlinear optimization problem is solved using gradient-based optimization. The method is verified for the inspection of flawed structures and validated on an aluminum plate with a manufactured defect.

Tino Bog Show abstract Frictionless contact simulation using the finite cell method
Betreuer: Rank, Ernst (Prof. Dr.)
Gutachter: Rank, Ernst (Prof. Dr.); De Lorenzis, Laura (Prof. Dr.)
Jahr: 2017



This thesis presents two formulations to model frictionless contact using the finite cell method (FCM) - a fictitious domain approach based on high-order finite elements. In the first contact formulation, constraints are enforced on embedded interfaces, which are represented by high-order polynomial segments. The second contact formulation employs a specially designed material model that is inserted into two- and three-dimensional regions surrounding contacting bodies.

Nils Dietrich Zander Show abstract Multi-level hp-FEM: dynamically changing high-order mesh refinement with arbitrary hanging nodes
Betreuer: Rank, Ernst (Prof. Dr.)
Gutachter: Rank, Ernst (Prof. Dr.); Yosibash, Zohar (Prof. Dr.); Reali, Alessandro (Prof., Ph.D.)
Jahr: 2017



This work proposes the multi-level hp-concept, in which a coarse base discretization is refined by superposing fine, high-order finite elements. This hp-formulation circumvents the problem of hanging nodes since the global continuity can be ensured by applying homogeneous Dirichlet boundary conditions on the boundary of the overlay mesh. It is demonstrated that this allows for a significant reduction of the implementational complexity without compromising the high approximation quality of hp-FEM.

Matthias Heinrich Josef Flurl Show abstract Kollaborative Modellierung und simulationsgestützte Evaluierung trassenbasierter Infrastrukturbauwerke
Betreuer: Rank, Ernst (Prof. Dr.)
Gutachter: Rank, Ernst (Prof. Dr.); Breunig, Martin (Prof. Dr.); Freudenstein, Stephan (Prof. Dr.)
Jahr: 2016



Diese Arbeit befasst sich mit Konzepten zur Verbesserung der Kooperation im Planungsprozess von trassenbasierten Infrastrukturbauwerken. Wesentlich ist hier die Konzeption einer Kollaborationsplattform, die einen synchronen Modellierungsprozess erlaubt und die generische Integration von Geodaten in den Planungsprozess ermöglicht. Beispielhaft wird anhand einer autonomen Energiesimulation und einer Fußgängersimulation belegt, wie die Experten bei der Bewertung der so entstandenen Modelle durch die Plattform unterstützt werden können.

Jérôme Frisch Show abstract Towards Massive Parallel Fluid Flow Simulations in Computational Engineering
Betreuer: Rank, Ernst (Prof. Dr.)
Gutachter: Rank, Ernst (Prof. Dr.); van Treeck, Christoph (Prof. Dr. habil.); Aoki, Takayuki (Prof. Dr.)
Jahr: 2014



As computer power still grows exponentially, engineering-based problems can be simulated today, which were deemed unsolvable a decade ago. In this work, a simulation pipeline able to work efficiently on massive parallel systems is presented, based on a newly introduced data structure together with an efficient multi-grid-like solver technique. Complex examples and an interactive visualisation are presented in order to demonstrate the capabilities of the chosen approach.

Vasco Varduhn Show abstract A Parallel, Multi-Resolution Framework for Handling Large Sets of Complex Data, from Exploration and Visualisation to Simulation
Betreuer: Rank, Ernst (Prof. Dr.)
Gutachter: Rank, Ernst (Prof. Dr.); Bungartz, Hans-Joachim (Prof. Dr. habil.)
Jahr: 2014



In this work, techniques from computational science and engineering are applied to problems of civil engineering. To this end, a parallel data access framework was developed; one which presents clearly defined and proven interfaces to all parts of the simulation pipeline, such as preprocessing, mesh generation, simulation, and visualisation. This approach is demonstrated by coupling a multi-resolution urban flooding simulation with a pipe network interaction simulating a city’s sewerage system.

Martin B. Schlaffer Show abstract Non-reflecting Boundary Conditions for the Lattice Boltzmann Method
Betreuer: Rank, Ernst (Prof. Dr.)
Gutachter: Rank, Ernst (Prof. Dr.); Krafczyk, Manfred (Prof. Dr. habil.); Müller, Gerhard H. (Prof. Dr. habil.)
Jahr: 2013



This thesis presents an approach for non-reflecting boundary conditions for the lattice Boltzmann method for the simulation of fluid flow. It is based on integral momentum conservation with an analytical time integration model. The resulting independence from spatial gradients and time derivatives provides a stable implementation for arbitrary directions of incidence of pressure waves. The accuracy of the residual reflection is for any direction of the same order which can be achieved with characteristic based approaches only in case of a normal incidence. In the work, a method is described which allows a boundary state adaption (pressure, velocity) based on a predetermined maximum residual reflection rate. Additionally, its application is shown for a nonlinear shallow water equation model.

Jovana Knežević Show abstract A high-performance computational steering framework for engineering applications
Betreuer: Rank, Ernst (Prof. Dr.)
Gutachter: Rank, Ernst (Prof. Dr.); Bungartz, Hans-Joachim (Prof. Dr. habil.); Johnson, Christopher R. (Prof. Dr.)
Jahr: 2013



Exploration tools with sophisticated user interfaces are necessary to support experts in analytical and decision-making processes, facilitating their comfortable interaction with the simulated phenomenon at hand. To achieve this, the connection between a user interaction and its effect on the simulation must not be lost. To leverage this concept for a broader scope of scenarios, a generic integration framework for engineering applications was developed and applied to a number of environments.

Quanji Cai Show abstract Finite Cell Method for Transport Problems in Porous Media
Betreuer: Rank, Ernst (Prof. Dr.)
Gutachter: Rank, Ernst (Prof. Dr.); Düster, Alexander (Prof. Dr. habil.)
Jahr: 2013



This contribution presents a generalization of the recently proposed Finite Cell Method (FCM) for problems in solid mechanics to the simulation of convection-diffusion transport problems in porous media. The FCM – a combination of a Fictitious Domain approach and high order Finite Elements – is an accurate computational technique for complex domains, which dispenses with the need for generating boundary conforming meshes. The high order FEM will be shown to stabilize the oscillation at nodal solutions introduced in convection-dominated problems. One- and two-dimensional model problems are demonstrated where exponential convergence rates are observed. The validity of the approach is studied for convection- and diffusion-dominated flows, concluding this treatise with a three-dimensional single component convection-diffusion example and a two-dimensional multi-component reactive transport problem based on a complex interior geometrical structure to emphasize the potential of this method.

Eduardo Grande García Show abstract Double Experimental Procedure for Model-Specific Finite Element Analysis of the Human Femur and Trabecular Bone
Betreuer: Rank, Ernst (Prof. Dr.)
Gutachter: Rank, Ernst (Prof. Dr.); Burgkart, Rainer H. H. (Priv.-Doz. Dr.)
Jahr: 2013



The aim of this work is to develop a procedure for generating specific finite element models of the human femur from a complete biomechanical analysis of the bone and of the trabecular bone tissue. Trabecular specimens were tested in order to obtain a better comprehension of the mechanical properties of the trabecular bone. The specific FE models were generated based on the QCT scans of human femora. Finally, the bones were mechanically tested in order to validate the FE results.

Iason Papaioannou Show abstract Non-intrusive finite element reliability analysis methods
Betreuer: Rank, Ernst (Prof. Dr.)
Gutachter: Rank, Ernst (Prof. Dr.); Straub, Daniel (Prof. Dr.); Papadrakakis, Manolis (Prof. Dr.)
Jahr: 2012



This thesis focuses on the modeling of uncertainties in structural systems and on strategies for the reliability assessment of structures analysed by finite element programs. New concepts are introduced for the numerical treatment of spatially varied uncertain quantities through the discretization of the relevant random fields as well as for robust and efficient finite element reliability analysis and updating of the reliability in light of new information. The methods have been implemented in a program that is integrated into a commercial finite element software package through a “black box” coupling with the finite element solver.

Christian Gabor Sorger Show abstract Generierung von Netzen für Finite Elemente hoher Ordnung in zwei und drei Raumdimensionen
Betreuer: Rank, Ernst (Prof. Dr.)
Gutachter: Rank, Ernst (Prof. Dr.); Düster, Alexander (Prof. Dr. habil.)
Jahr: 2012



Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Generierung von Netzen, die für eine Berechnung mit der Finite-Elemente-Methode hoher Ordnung geeignet sind. Dabei werden Verfahren zur Vernetzung gekrümmter Flächenmodelle in Dreiecks- und Viereckselemente sowie zur Vernetzung von unterschiedlichen Volumenmodellen in Tetraeder- und Hexaeder-Elemente präsentiert. Zunächst wird eine Einführung in die wesentlichen Aspekte des geometrischen Modellierens sowie in die Finite-Elemente-Methode hoher Ordnung gegeben und ein Konzept zur möglichst exakten Erfassung der Geometrie mithilfe gekrümmter Elemente dargelegt. Anschließend wird der Aufbau einer Rahmen-Software erläutert, welche als Fundament für die entwickelten Vernetzungstechniken dient. Die Vernetzung beliebig gekrümmter Oberflächenmodelle mit qualitativ hochwertigen Elementen erfolgt durch eine Kopplung der rekursiven Gebietsteilungstechnik mit differentialgeometrischen Berechnungsmethoden. Darauf aufbauend wird eine Strategie zur Vernetzung indirekter Volumenmodelle in Tetraeder-Elemente aufgezeigt. Abschliesend wird ein Verfahren zur Generierung von Hexaeder- Elementen für komplexe dünnwandige Strukturen dargelegt und seine Praxistauglichkeit an zahlreichen Beispielen getestet.

Michael Pfaffinger Show abstract Interaktive Strömungssimulation auf Hochleistungsrechnern unter Anwendung der Lattice-Boltzmann Methode
Betreuer: Rank, Ernst (Prof. Dr.)
Gutachter: Rank, Ernst (Prof. Dr.); Hausladen, Gerhard (Prof. Dr.); van Treeck, Christoph (Prof. Dr. habil.)
Jahr: 2012



Die Arbeit beschäftigt sich mit interaktiver Simulation von Raumluftströmungen auf Hochleistungsrechnern. Konkret werden thermische Strömungen untersucht, die als Grundlage für eine Behaglichkeitsanalyse dienen können. Hierzu wird das Thema Computational Steering und anschließend die Lattice-Boltzmann Methode als Basis der Strömungssimulation erörtert. Einen wesentlichen Aspekt der Arbeit bildet die Visualisierung der gewonnenen Daten. In einem weiteren Schritt wird die für die Simulation notwendige Parallelisierungsstrategie näher untersucht. Anschließend werden Optimierungsansätze für die Nutzung auf dem Höchstleistungsrechner Bayern II betrachtet und die Leistungsfähigkeit des Simulationscodes an Benchmark-Tests untersucht. Einen weiteren Kernbaustein der Arbeit bildet die Validierung des Simulationscodes anhand von zwei klar definierten Modellen. Abschließend werden zwei mögliche industrielle Anwendungsbeispiele gezeigt.

Dominik Schillinger Show abstract The p- and B-spline versions of the geometrically nonlinear finite cell method and hierarchical refinement strategies for adaptive isogeometric and embedded domain analysis
Betreuer: Rank, Ernst (Prof. Dr.)
Gutachter: Rank, Ernst (Prof. Dr.); Papadrakakis, Manolis (Prof., Ph.D.); Bischoff, Manfred (Prof. Dr. habil.)
Jahr: 2012



The thesis at hand addresses two recently introduced concepts intended to support an efficient interaction between geometrical models and finite element analysis: the finite cell method (FCM) and isogeometric analysis (IGA). In the context of the FCM, the B-spline version is introduced, which applies high-order and high-continuity B-spline bases within the FCM concept. Furthermore, the idea of deformation resetting is motivated, which allows for the extension of the finite cell method to geometrically nonlinear problems, and the FCM is combined with hierarchical hp-d adaptivity for local mesh refinement. In the context of IGA, the principle of subdivision is used to derive a hierarchical refinement procedure for non-uniform rational B-splines (NURBS), which combines full analysis suitability with straightforward implementation in tree data structures and simple generalization to higher dimensions.

David Franke Show abstract Investigation of mechanical contact problems with high-order Finite Element Methods
Betreuer: Rank, Ernst (Prof. Dr.)
Gutachter: Rank, Ernst (Prof. Dr.); Schweizerhof, Karl (Prof. Dr.)
Jahr: 2011



The study deals with the emerging field of mechanical contact problems. The behaviour of two dimensional uni- and bilateral, frictional and frictionless contact problems is investigated by applying the classical h-version and comparing it with new approaches based on the p-, hp- and the rp-version of the Finite Element Method. The accuracy of these variants is measured for the 2D-Hertzian contact problem in terms of the contact stress distribution as well as in studies of the convergence of the error in strain energy norm. The convergence rates are of algebraic type for the h-, p-, and the rp-version of the FEM. Furthermore, the adaptive hp-version achieves exponential rates of convergence.

Zhengxiong Yang Show abstract The Finite Cell Method for Geometry-Based Structural Simulation
Betreuer: Rank, Ernst (Prof. Dr.)
Gutachter: Rank, Ernst (Prof. Dr.); Düster, Alexander (Prof. Dr. habil.); Parvizian, Jamshid (Prof. Dr.)
Jahr: 2011



The finite cell method is a fictitious domain method combined with p-version high-order polynomial basis functions. This dissertation presents a CT-derived data specific integration scheme for the FCM which accelerates the stiffness matrices computation by precomputation with respect to material constants and voxel dimensions. With this scheme applied to solve three-dimensional isotropic linear elastic problems, a remarkable reduction in computational time is achieved, moreover a good accuracy is also obtained and verified by several numerical examples. The high efficiency and accuracy of this integration scheme enables the establishment of a prototype of an interactive surgical planning platform which allows for predicting and monitoring in-vivo bone-implant stress distribution in real-time via computational steering.

Andreas Rabold Show abstract Anwendung der Finite Element Methode auf die Trittschallberechnung
Betreuer: Rank, Ernst (Prof. Dr.)
Gutachter: Müller, Gerhard H. (Prof. Dr. Dr. habil.)
Jahr: 2010



Die Forschung und Entwicklung im Bereich der Bauakustik erfolgt bislang schwerpunktmäßig durch aufwändige messtechnische Parameterstudien. Eine wesentliche Reduzierung dieses Aufwands kann dadurch erreicht werden, dass die Bauteil-Parameterstudien nicht mehr ausschließlich durch Messungen erfolgen, sondern auch anhand von geeigneten Berechnungsmodellen durchgeführt werden. Dazu wurde ein umfassendes Berechnungsmodell erarbeitet und anhand von Messergebnissen validiert. Wesentliche Grundlage für die volumenorientierte akustische Simulation ist dabei die p-Version der Methode der Finiten Elemente. Auf Basis der numerischen Berechnungen wurden die Wechselwirkungen der Deckenkomponenten untersucht und optimierte Konstruktionen erarbeitet. Nach deren messtechnischen Überprüfung konnten die Ergebnisse in Form von Konstruktionshilfen für optimierte Aufbauten zusammengestellt werden.

Ziad Wassouf Show abstract Die Mortar Methode für Finite Elemente hoher Ordnung
Betreuer: Rank, Ernst (Prof. Dr.)
Gutachter: Schanz, Martin (Prof. Dr.)
Jahr: 2010



Diese Arbeit befasst sich mit einer nicht-konformen Diskretisierungsstrategie für Finite Elemente hoher Ordnung (p-Version) zur Kopplung von Hexaeder- und Tetraederelementen. Vorgestellt wird eine speziell für strukturmechanische Probleme angepasste Ansatzbasis für Tetraeder. Des Weiteren werden verschiedene Mortar-Ansätze für die Spannungen auf der Kontaktfläche zwischen den nicht konformen Finite-Element-Netzen entwickelt.

Stefan Kollmannsberger Show abstract ALE-type and fixed grid fluid-structure interaction involving the p-version of the Finite Element Method
Betreuer: Rank, Ernst (Prof. Dr.)
Gutachter: Krafczyk, Manfred (Prof. Dr. habil.)
Jahr: 2010



This treatise addresses the efficient, numerical simulation of the interaction between fluids and structures. The discretization of the structure is based on high-order finite elements (p-version). Three different approaches for the fluid are regarded: the Finite Volume Method, the Spectral Element Method and a Lattice Boltzmann Method. Algorithms are proposed, verified and validated for the coupling of these completely different discretizations to the structural p-version.

Petra Wenisch Show abstract Computational Steering of CFD Simulations on Teraflop-Supercomputers
Betreuer: Rank, Ernst (Prof. Dr.)
Gutachter: Rüde, Ulrich (Prof. Dr.)
Jahr: 2008



This thesis presents a software concept for CFD simulations, which follows the principle of 'Computational Steering'. According to this, an on-the-fly visualization of current computation results and, especially, the possibility of steering the simulation through user interactions during its execution are the key requirements. The interaction options comprise the adjustment of global flow parameters, the definition of boundary conditions and, in particular, the arbitrary modification of the geometrical layout of the simulated scene. The computational kernel, which is performed on a supercomputer, is based on the Lattice-Boltzmann method. Concurrently, the visualization and steering front-end is run within a Virtual Reality environment. To demonstrate the applicability of the developed tool to support the engineer's design for an indoor ventilation system, it is used exemplarily for the interactive simulation of a real operating room.

Barbara Neuhierl Show abstract Strömungsakustik und Fluid-Struktur-Kopplung mit der Lattice-Boltzmann- und der Finite-Element-Methode
Betreuer: Rank, Ernst (Prof. Dr.)
Gutachter: Rank, Ernst (Prof. Dr.); Müller, Gerhard H. (Prof. Dr. Dr. habil.); Gilg, A. (Prof. Dr. Dr. h.c.)
Jahr: 2008



Die Dissertation beschäftigt sich mit der numerischen Simulation von Strömungsgeräuschen. Es wird ein partitionierter Ansatz zur gekoppelten Simulation von geräuscherzeugenden Strömungen und vibrierenden Strukturen vorgestellt. Dabei wird auf der Fluidseite die Lattice-Boltzmann-Methode eingesetzt, während das Strukturverhalten mit der Methode der Finiten Elemente abgebildet wird. Ein Rahmenalgorithmus steuert den Austausch aller erforderlichen Informationen über zu diesem Zweck implementierte Schnittstellen und ermöglicht so die Simulation der Wechselwirkung zwischen Fluid und Struktur. Um die Methode zu validieren, wurden Simulationen an einfachen Modellen untersucht. Weiterhin wird ein Beispiel aus der Industrie demonstriert, bei dem vergleichbare Effekte auftreten.

Ulrich Heisserer Show abstract High-order finite elements for material and geometric nonlinear finite strain problems
Betreuer: Rank, Ernst (Prof. Dr.)
Gutachter: Hartmann, Stefan (Priv.-Doz. Dr.)
Jahr: 2008



For the simulation of geometric and material nonlinear problems implicit high-order (p-version) displacement-based finite elements are applied. Besides hyperelastic materials a finite strain viscoplasticity model with internal variables is considered. We apply the combination of Backward-Euler integration and Multilevel-Newton algorithm to solve the system of differential-algebraic equations resulting from the space-discretized weak form. For an efficient modeling of the cold isostatic pressing (CIP) process an axisymmetric finite strain element, reaction forces and follower loads are derived in the p-version context. We demonstrate that the p-version can overcome volumetric locking also in the finite strain case. An adaptive time-stepping algorithm is presented to perform simulations of metal powder compaction. We report applications to die-compaction and isostatic pressing (CIP,RIP), and a complex validation example where good agreement to experimental data is achieved.

Matthias Schleinkofer Show abstract Wissensbasierte Unterstützung zur Erstellung von Produktmodellen im Baubestand
Betreuer: Rank, Ernst (Prof. Dr.)
Gutachter: Fritsch, Dieter K. (Prof. Dr. habil.)
Jahr: 2007



Modellbasierte Planung gestattet die Durchführung einer Vielzahl von Planungsaufgaben in einer ganzheitlichen Sicht auf das Bauobjekt. Im Bereich der Umbau- und Sanierungsplanung findet sie jedoch eher geringen Zuspruch, da ein räumliches Bauwerksmodells bislang nur unter großem manuellem Einsatz zu erstellen ist. Die vorliegende Arbeit stellt nun hierfür einen automatisierten Weg vor. Aus dem wirtschaftlich effizienten Messablauf terrestrischer Laserscanner resultieren Punktwolken mit einer sehr großen Anzahl an Einzelpunkten. Stufenweise wird daraus ein Oberflächenmodell entwickelt, wobei die räumliche Triangulierung der Punkte das zentrale Element darstellt. Aus dem Oberflächenmodell abgeleitete Volumenkörper werden dann mittels eines künstlichen neuronalen Netzes in Bauteilklassen kategorisiert. Gemäß dieser Klassifizierung werden schließlich, entsprechend der aufgemessenen Geometrie, in einem Produktmodell Objekte erzeugt.

Holger Heidkamp Show abstract Modeling Localization and Failure with High-Order Finite Elements
Betreuer: Rank, Ernst (Prof. Dr.)
Gutachter: Schweizerhof, Karl (Prof. Dr.)
Jahr: 2007



This thesis presents a consistent modeling approach to the phenomenon of deformation localization and material failure, based on high-order finite elements. Strong discontinuities are incorporated into the finite element formulation in an embedded manner. As opposed to previous concepts, the presented approach is consistently deduced regarding its possible application in the context of high-order finite elements. Put forth by a novel reassessment of the strong discontinuity kinematics, an extended p-adaptive formulation is established. Three-dimensional numerical investigations show that the proposed approach facilitates a minimization of potential locking effects. Compared to a corresponding low-order approach, a significantly enhanced numerical resolution of the failure process can be observed.

André Borrmann Show abstract Computerunterstützung verteilt-kooperativer Bauplanung durch Integration interaktiver Simulationen und räumlicher Datenbanken
Betreuer: Rank, Ernst (Prof. Dr.)
Gutachter: Hübler, Reinhard (Prof. Dr. habil.)
Jahr: 2007



Die Arbeit befasst sich mit der Computerunterstützung verteilt-kooperativer Planungsprozesse im Bauwesen. Dabei werden Lösungsansätze für die synchrone und die asynchrone Form der kooperativen Arbeit präsentiert, die der besonderen Bedeutung von Bauteilgeometrie und -topologie für Planungsentscheidungen gerecht werden. Das im ersten Teil vorgestellte System zur Unterstützung synchroner Zusammenarbeit auf Basis eines 3D-Mehrbenutzereditors erlaubt die dynamische Einbeziehung interaktiver Simulationen in eine kooperative Sitzung. Im zweiten Teil wird eine räumliche Anfragesprache vorgestellt, die die Dekomposition eines Bauwerkmodells anhand geometrisch-topologischer Kriterien erlaubt und damit eine Voraussetzung für konfliktfreies paralleles Arbeiten schafft. Hierfür werden metrische, direktionale und topologische Operatoren formal definiert und eine oktalbaumbasierte Implementierung dieser Operatoren präsentiert.

Andreas Niggl Show abstract Tragwerksanalyse am volumenorientierten Gesamtmodell
Betreuer: Rank, Ernst (Prof. Dr.)
Gutachter: Schnellenbach-Held, M. (Prof. Dr.)
Jahr: 2007



Computermodelle im konstruktiven Ingenieurbau sind häufig nur für spezielle Aufgabenbereiche konzipiert. Es existiert eine Vielzahl von fachspezifischen Teilmodellen, was die Konsistenthaltung und den Austausch von Informationen erschwert. Die Arbeit schlägt vor, Arbeitsprozesse der Tragwerksplanung auf strikt volumenorientierte Modelle zu gründen. Um eine statische Analyse durchzuführen, soll ein Tragwerk nicht mehr in dimensionsreduzierte Strukturen, wie Balken, Platten oder Stabwerke eingeteilt werden. Es soll stattdessen für alle Aufgaben ein einheitlich volumenorientierter Ansatz basierend auf finiten Elementen hoher Ordnung zum Einsatz kommen. Ziel der Arbeit ist, dieses Modell zu beschreiben, sich daraus ergebende Fragen zu diskutieren und Lösungsmöglichkeiten aufzuzeigen. Ein besonderes Augenmerk liegt auf der Frage, inwieweit sich volumenorientierte Berechnungsergebnisse zur Bemessung von Stahlbetonbauteilen nutzen lassen und welche Vorteile sich daraus ergeben.

Vera Nübel Show abstract Die adaptive rp-Methode für elastoplastische Probleme
Betreuer: Rank, Ernst (Prof. Dr.)
Gutachter: Rank, Ernst (Prof. Dr.); Wall, Wolfgang A. (Prof. Dr.)
Jahr: 2005



Die vorliegende Arbeit präsentiert eine effiziente Diskretisierungsstrategie für physikalisch nichtlineare Probleme, die auf finiten Elementen hoher Ordnung basiert. Bei elastoplastischen Problemen entsteht eine Singularität entlang des Randes der plastischen Zone. Ihre Randgeometrie entspricht im zweidimensionalen Fall einer Kurve, im dreidimensionalen Fall einer Oberfläche. Dieser Verlust an Regularität lässt nur eine algebraische Konvergenz zu, sofern das elastisch-plastische Interface das Innere von Elementen schneidet. Um auch für diese Klasse von Problemen exponentielle Konvergenz zu erreichen, zerlegt der hier vorgestellte Ansatz das gesamte Berechnungsgebiet in Teilgebiete, deren Berandung mit dem Verlauf des elastisch-plastischen Interface zusammenfällt. Die exakte Lösung auf diesen Teilgebieten, die entweder zum elastischen oder plastischen Bereich der Struktur gehören, ist unter der Voraussetzung, dass keine weiteren Singularitäten vorhanden sind, glatt. Jedes dieser Teilgebiete wird dann durch eine p-Version auf grobem Netz diskretisiert, ohne in Richtung der plastischen Front zu verfeinern. Das Berechnungsgebiet mit einer nicht-glatten Lösung wird in Teilgebiete mit glatten Lösungen zerlegt. Weil Ort und Verlauf des elastisch-plastischen Interface nicht a priori bekannt sind, findet der rp-adaptive Algorithmus iterativ die Grenze der plastischen Zone. Zwei- und dreidimensionale Untersuchungen der rp-adaptiven Methode zeigen, dass die vorgestellte Diskretisierungsstrategie effizient zu sehr genauen Ergebnissen führt. Sie ermöglicht exponentielle Konvergenz.

Alexander Muthler Show abstract Berechnung der elastischen Rückfederung von Tiefziehbauteilen mit der p-Version der Finite-Elemente-Methode
Betreuer: Rank, Ernst (Prof. Dr.)
Gutachter: Holzer, Stefan M. (Prof. Dr.)
Jahr: 2005



Die Blechumformung ist ein wichtiges Verfahren zur wirtschaftlichen Produktion von Blechteilen z. B. für den Automobilbau. Neben der Riss- und Faltenbildung stellt dabei die elastische Rückfederung, welche bei der Entnahme der Ziehteile aus der Presse aufgrund der Relaxation der elastischen Spannungen auftritt, eine Problematik im Entwicklungsprozess der Ziehanlage dar. Die Finite-Elemente-Methode hat sich in den letzten Jahren zu einem unverzichtbaren Werkzeug bei der virtuellen Entwicklung dieser Ziehanlagen entwickelt. Durch Berechnung der elastischen Rückfederung können mit entsprechenden Kompensationsmethoden die unerwünschten Effekte eliminiert werden. Numerische Beispiele haben allerdings gezeigt, dass diese Berechnung mit expliziten Programmen oft zu ungenauen Ergebnissen und bei einer zuverlässigeren impliziten Berechnung zu einem hohen Bedarf an Rechenzeit und Speicherplatz führt. Weiterhin sind die Annahmen der Schalentheorie nicht immer in allen Bereichen des Bauteils erfüllt. Basierend auf einer Volumendiskretisierung hoher Ordnung wird in dieser Arbeit eine effiziente und zuverlässige Berechnung der elastischen Rückfederung vorgeschlagen. Durch Formulierung mit Hexaederelementen können die Polynomgrade für jede der drei lokalen Elementkoordinaten und für jede Komponente des Verschiebungsfeldes unterschiedlich gewählt werden. Der Modellfehler, der jeder Schalentheorie anhaftet, wird bei dieser Methode durch einen besser beherrschbaren Diskretisierungsfehler ersetzt. Da bei der p-Version der FEM der Elementdurchmesser unverändert bleibt, wird die Blending-Funktionen-Methode zur genauen Beschreibung der Geometrie verwendet. Numerische Beispiele demonstrieren die Leistungsfähigkeit des Verfahrens.

Richard Romberg Show abstract Gebäudemodell-basierte Strukturanalyse im Bauwesen
Betreuer: Rank, Ernst (Prof. Dr.)
Gutachter: Rank, Ernst (Prof. Dr.); Beucke, Karl (Prof. Dr.)
Jahr: 2005



In der vorliegenden Arbeit wird ein neu entwickeltes Verfahren zur Unterstützung der Tragwerksplanung vorgestellt. Auf der Grundlage eines Bauwerksmodells wird untersucht, wie die Bearbeitungsschritte zur Erstellung des numerischen Modells bei der Strukturanalyse ohne Bruch der digitalen Modellkette automatisch durchgeführt werden können und die Integration von numerischer Berechnung in Bauplanungsabläufen dadurch effektiver gestaltet wird. Vorteile sind insbesondere deshalb zu erwarten, weil zur Analyse aller Strukturen strikt finite Volumenelemente eingesetzt werden und dadurch die problematische Verwendung von dimensionsreduzierten Teilmodellen entfällt. In Verbindung mit hierarchischen Elementansätzen höherer Polynomordnung erlaubt der damit vollzogene Übergang zur ganzheitlichen Berechnung von Gebäudestrukturen (vollständige 3D-Berechnung) eine genauere Darstellung des Tragverhaltens mit qualitativ verbesserten Analyseergebnissen.

Christoph Alban Treeck Show abstract Gebäudemodell-basierte Simulation von Raumluftströmungen
Betreuer: Rank, Ernst (Prof. Dr.)
Gutachter: Rank, Ernst (Prof. Dr.); Krafczyk, Manfred (Prof. Dr. habil.)
Jahr: 2004



Vorliegende Arbeit diskutiert Simulationstechniken zur quantitativen Bestimmung und Bewertung von Luftströmungen in Innenräumen und die Anbindung dieser Techniken an ein Gebäudemodell. Raumluftströmungen werden in ihrem Erscheinungsbild anhand typischer Konfigurationen der Gebäudehülle charakterisiert. Es werden ihre Auswirkungen auf den Energiehaushalt eines Gebäudes und auf das thermische Behaglichkeitsempfinden der Nutzer erläutert. Zur numerischen Simulation des transienten thermischen Gebäudeverhaltens wird ein Finite-Volumen Ansatz zur Bilanzierung der instationären Wärmeströme durch die Gebäudestruktur beschrieben. Durch die Diskretisierung dynamischer Mehrzonenmodelle ist das Auflösungsvermögen bezüglich Raumluftströmungen dabei begrenzt, da ein oder wenige Raumlufttemperaturknoten pro Zone zur Bestimmung der durch Druckdifferenzen induzierten Enthalpieströme verwendet werden. In bestimmten Fällen ist daher eine hochauflösende Simulation mit CFD-Verfahren nötig, um lokale Strömungsvorgänge analysieren zu können, wie anhand der Vorstudie einer gekoppelten Simulation gezeigt wird. Der Einsatz der entwickelten Kopplungsschnittstelle wird zunächst anhand einer Kopplung zwischen einem kommerziellen CFD-System und einem thermischen Mehrzonen-Gebäudemodell demonstriert. Als Referenzmodell dient ein Gebäude mit Atrium. Die Ergebnisse werden mit vorliegenden Messdaten verglichen. Die Anbindung von Simulationsverfahren an ein Bauwerksmodell wird durch die verschiedenen Modelle hinsichtlich Planung und Berechnung erschwert, die die unterschiedlichen Sichtweisen der am Planungsprozess Beteiligten implizieren. Zur Analyse und Interpretation der geometrischen, topologischen und semantischen Daten eines Bauwerksproduktmodells wird deshalb ein graphentheoretischer Ansatz vorgestellt. Zur Ableitung eines Raummodells werden ein Bauteilgraph, ein Raumflächengraph, ein Raumgraph und ein relationaler Objektgraph als Hilfsmittel identifiziert und Algorithmen zur Ableitung dieser Relationen entwickelt. Das Raummodell gestattet die semantische Identifizierung von Objekttypen und die Ableitung eines Objekt- und eines Oberflächenmodells, womit die Voraussetzung zur Kopplung zwischen dimensionsreduzierten und detaillierten Berechnungsverfahren des thermischen Gebäudeverhaltens gegeben ist. Die Anwendung des Verfahrens wird anhand der Analyse und geometrischen Diskretisierung eines komplexen Referenzmodells demonstriert. Zur Simulation konvektiver Raumluftströmungen wird das Gitter-Boltzmann Verfahren eingesetzt. Es werden dessen Erweiterungen hinsichtlich Energieerhaltung und eines Large-Eddy Feinstruktur-Turbulenzmodells diskutiert. Validierungsrechnungen des verwendeten hybriden thermischen Modells zeigen gute Übereinstimmungen mit Werten aus der Literatur. Anhand eines komplexen dreidimensionalen Beispiels der Innenraumluftströmung in einem Atrium wird die prototypische Umsetzung des Verfahrens aufgezeigt.

Frank Neuberg Show abstract Ein Softwarekonzept zur Internet-basierten Simulation des Ressourcenbedarfs von Bauwerken
Betreuer: Rank, Ernst (Prof. Dr.)
Gutachter: Faulstich, Martin (Prof. Dr.)
Jahr: 2004



Gebäude beanspruchen sowohl für ihre Erstellung als auch für ihren Betrieb während einer im Vergleich zu anderen Produkten i.a. sehr langen Lebensdauer erhebliche Rohstoff- und Energieressourcen. Bisher verfügbare Erkenntnisse über den Ressourcenverbrauch während eines gesamten Lebenszyklus eines Gebäudes sind noch recht spärlich, weil sich hierfür vielfältige Gesichtspunkte gegenseitig beeinflussen bzw. überlagern. In der vorliegenden Arbeit wird ein Softwarekonzept vorgestellt, das einen integralen Ansatz einer ökologischen Bilanzierung von Gebäuden ermöglicht. Der Kernpunkt der Entwicklung besteht darin, ein IFC-basiertes Produktmodell eines Gebäudes über das Internet mit (zum Teil bereits verfügbaren) Datenbanken zum Material- und Primärenergiebedarf von Baustoffen zu verbinden und durch numerische Simulation den Ressourcenbedarf, die Abfallströme oder auch die Schadstoffemissionen abzuschätzen und zu minimieren. Dazu wurden im Rahmen dieser Arbeit Softwareprogramme für Architekten und Ingenieure entwickelt, die bereits in frühen Planungsphasen auf einer objektiven Basis die Bewertung der planerischen Entscheidungen ermöglichen und damit im Sinne einer nachhaltigen und ökologischen Gebäudeplanung einen erheblichen Beitrag zur Schonung von Energie und Rohstoffen leisten können.

Bernd Crouse Show abstract Lattice-Boltzmann Strömungssimulationen auf Baumdatenstrukturen
Betreuer: Rank, Ernst (Prof. Dr.)
Gutachter: Rank, Ernst (Prof. Dr.); Krafczyk, Manfred (Prof. Dr. habil.)
Jahr: 2003



In den Ingenieurwissenschaften, so auch im Bauwesen, gewinnen Fragestellungen der Strömungsmechanik und deren Lösung mithilfe von Strömungssimulationen zunehmend an Bedeutung. Eine wesentliche Aufgabe besteht darin, Methoden und Ansätze zu deren Anwendung zu erforschen und zu validieren. Im ersten Teil dieser Arbeit wird ein Integrationskonzept vorgestellt, mit dem der Gesamtablauf von Strömungssimulationen effizienter gestaltet werden kann. Es wird dazu ein Rahmenwerk entwickelt, welches das Beziehungsgeflecht zwischen den geometrischen Modellen der Teilaufgaben von Strömungssimulationen darlegt und den Ablauf der Simulationen prinzipiell vorgibt. Als zentrale Datenstruktur wird ein Oktalbaum, ein dreidimensionaler Vertreter der Baumdatenstrukturen, verwendet. Dieser unterstützt einerseits das Abbilden der geometrischen Modelle und ermöglicht andererseits eine automatische Generierung kartesischer Gitter. Die angestrebte Kopplung von CAD und Strömungssimulation wird an zwei ausgewählten Beispielen demonstriert. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Erweiterung der Lattice-Boltzmann Methode für Simulationen auf nicht-uniformen Gittern für zweidimensionale Probleme. Hierfür werden zunächst die Grundlagen der Methode dargestellt und die entsprechenden Erweiterungen für die Nichtuniformität im Detail erläutert. Von essentieller Bedeutung sind dabei die das Gitter repräsentierenden Datenstrukturen. Auch hier finden Baumdatenstrukturen, für zweidimensionale Anwendungen als Quadtrees bezeichnet, optimale Einsatzmöglichkeiten. Die Besonderheiten, die sich in der prototypischen Implementierung ergeben, werden ausführlich dargestellt. Da der Prototyp die Modifikation der Gitterkonfiguration erlaubt, werden erstmalig adaptive Lattice-Bolzmann Simulationen durchgeführt und deren Effizienz gezeigt.

Siegfried Kühner Show abstract Virtual Reality basierte Analyse und interaktive Steuerung von Strömungssimulationen im Bauingenieurwesen
Betreuer: Rank, Ernst (Prof. Dr.)
Gutachter: Rank, Ernst (Prof. Dr.); Zenger, Christoph (Prof. Dr.)
Jahr: 2003



In der vorliegenden Arbeit werden neuartige Methoden zur Unterstützung des Planungsprozesses im Bauwesen unter strömungsmechanischen Gesichtspunkten vorgestellt. Auf der Grundlage der Lattice-Boltzmann Methode wird dazu eine Virtual Reality basierte Ergebnisauswertung und anschließend eine vollständig interaktive Strömungssimulation untersucht. Zunächst werden Verfahren der Visualisierung wissenschaftlich-technischer Daten weiterentwickelt. Die interaktive Analyse großer Datensätze wird durch eine Reduktion der Ergebnisdaten basierend auf hierarchischen Datenstrukturen unterstützt. Weiterhin werden Kriterien zur Bewertung des menschlichen Komfortempfindens in den Prozess der Visualisierung integriert. Virtual Reality Techniken und die kombinierte Darstellung der Ergebnisse der Berechnung mit dem CAD-Modell erleichtern das Verständnis der Strömung. Die anschließende Implementierung eines prototypischen interaktiven Strömungssimulators verbindet eine Umgebung zur Eingabe und Visualisierung über eine Interprozesskommunikation mit einem Supercomputer oder einem Workstation-Cluster. Dadurch wird es möglich, eine Strömung zur Laufzeit der Simulation durch Verändern der Hindernisse im Strömungsgebiet und der Randbedingungen zu manipulieren und das Ergebnis unmittelbar zu verfolgen.