Liste der Forschungsprojekte

Die folgende Liste enthält eine Auswahl laufender oder abgeschlossener Forschungsprojekte des UZWR in etwa umgekehrt chronologischer Folge.

P88: Hochschuldidaktische Begleitung (neue Prüfungs- und Evaluationsformen)

In enger Kooperation zum Hochschuldidaktikzentrum Ulm (HDZ) werden begleitend zu den laufenden Planungen und Entwicklungen zum neuen Bachelor-Studiengang CSE fakultätsübergreifend

  • neue Prüfungsformen und
  • neue Evaluationsformen

von Bachelor-Studiengängen entwickelt werden, um so die Qualität der Lehre bezüglich der Studierbarkeit und der Berufsqualifizierung gewährleisten, überprüfen und ggf. gezielt verbessern zu können.

Die Mittel zu diesem Projekt stammen aus Studiengebühren und wurden auf Empfehlung des Arbeitskreises Studiengebühren vom Präsidium bewilligt (26.07.2010). Für die Förderung danken wir sehr herzlich.  Die Studierenden sollen von den Ergebnissen dieses Projektes fakultätsübergreifend direkt profitieren.

Alternative Prüfungsformen wurden bereits entwickelt ("teamorientierte, anwendungsnahe Projektarbeiten) und erfolgreich in zwei unserer Vorlesungen verwirklicht (MMSM1 und MMSM2).


Kontakt: Dipl.-Ing. (FH) Beate Mayer


P74: Eigenschwingungsformen von Snowboards (Schülerprojekt)

In einem Schülerprojekt untersucht Tim Wagner (Willhelm-Brake-Gesamtschule Braunschweig) die Eigenschwingungen seines Snowboards mit numerischen und experimentellen Methoden.


Download der Facharbeit (PDF, 1 MB)

 

1. Biege-Eigenschwingungsform

P69: 3D Modellierung der photoaktiven Schicht in polymeren Solarzellen

In diesem Projekt werden polymere Solarzellen untersucht, deren photoaktive Schichten aus Polymeren bestehen. In einer Kooperation der Universität Ulm und der TU Eindhoven konnte gezeigt werden, dass die Effizienz polymerer Solarzellen stark von der geometrischen Struktur des Kompositmaterials abhängt. Zur Analyse der Korrelation von Morphologie und Leistungsfähigkeit und zur Detektion verbesserter Strukturen wird ein stochastisches Simulationsmodell der Morphologie polymerer Solarzellen entwickelt.


Mehr Information: 3D Modellierung der photoaktiven Schicht in polymeren Solarzellen


Kontakt: Prof. Dr. Volker Schmidt


3D ET Aufnahme einer Hybrid-Solarzelle

P56, 57, 27: Simulation von Schleifstrukturen auf Skiern für Reichmann & Sohn

Die Firma Reichmann & Sohn stellt u.a. Skiservice-Maschinen her, mit denen die Unterseite von Skiern und Snowboards geschliffen werden kann. Durch spezielle Einstellungen der Schleifparameter können charakteristische Schleifmuster auf der Skiunterseite erzeugt werden, die die Laufeigenschaften der Skier positiv beeinflussen sollen. Ziel des Projekts war es, ein Rechnerprogramm zu entwickeln und der Fa. Reichmann & Sohn zur Verfügung zu stellen, das die Schleifmuster in Abhängigkeit der Parameter simulieren und grafisch darstellen kann. Abricht- und Schleifvorgang konnten durch geometrische Abbildungen mathematisch beschrieben und in ein benutzerfreundliches Programm implementiert werden. Das Programm wurde auf der ISPO-Winter 2009 in München als Neuheit von Reichmann&Sohn vorgestellt. Das Programm wurde dann in die Internetseiten der Firma integriert PatRich-Online und ist nun für jedermann im Internet verfügbar. In einem laufenden Projekt wird derzeit die Invertierbarkeit des Problems untersucht (Welche Parameterwerte müssen für ein gewünschtes Muster gewählt werden?).


Kooperation: Reichmann & Sohn GmbH, Weißenhorn

Dr.-Ing. Ulrich SimonBeitrag darüber in Radio SWR4-BW (Aktuelles vom 18.02.2010)


Kontakt: Dr.-Ing. Ulrich Simon


PatRich-Online

P48, 50-53: Spannungs- und Steifigkeitsanalysen für Franz Kessler

Die Firma Franz Kessler stellt u.a. direkt angetriebene Systemkomponenten für Werkzeugmaschinen her. Um eine angefahrene Drehposition auch bei größeren Momenten sehr genau halten zu können, sind die Antriebseinheiten mit hydraulisch betätigten Klemmungen ausgerüstet. Im geklemmten Zustand werden die Bremsscheiben durch die axial wirkende Kraft der Hydraulik verbogen. Dieser Beanspruchung muss das Bauteil mehrere Millionen mal widerstehen. Um die Betriebsfestigkeit auch für Konstruktionsvarianten zu gewährleisten und deren Gestalt schnell optimieren zu können, sollten Spannungsanalysen und eine Topologieoptimierung durchgeführt werden. Darüberhinaus wurde die Kippsteifigkeit einer Rundachse berechnet. Die Spannungs- und Steifigkeitsanalysen geben wertvolle Hinweise auf mögliche konstruktive Verbesserungen.


Kooperation: Franz Kessler, Bad Buchau


Kontakt: Dr.-Ing. Ulrich Simon


 

Kessler-Rundachse

P46: "Projekt 46" - Praktische Erprobung von Auftriebskörpern

Projekt 46:  In diesem Dauerprojekt stellt das UZWR jährlich neu unter Beweis, dass bei uns nicht nur theoretisiert wird.  Im Feldversuch zeigen Studenten, Mitarbeiter, Professoren und "andere Helfer", dass sie mit allen (Donau-)Wassern gewaschen sind. 

Wer Ulm ein wenig kennt, weiß, dass man jedes Jahr an einem speziellen Montag um den 20. Juli herum (-> Schwörmontag) gute Gelegenheit hat, selbstkonstruierte Boote und Auftriebskörper mit vielen anderen Mitbewerbern in der Donau praktisch zu erproben.  Dieses Ulmer Highlight bezeichnen die Schwaben als "NABADA", was soviel wie "Herunterbaden" bedeutet.

Der UZWR-Auftriebskörper wird natürlich - das ist so unsere Art - stets weiterentwickelt und optimiert (notfalls auch mal mit Hilfe einer numerische Simulation).

Details, weitere Bilder und Updates

P44: DFG - Muskulo-skelettales Modell für den Hinterlauf der Ratte

Die Frakturheilung wird von biologischen und biomechanischen Faktoren beeinflusst. Die Kenntnis und Kontrolle der biomechanischen Bedingungen im Heilungsgebiet ist deshalb essen-tiell für alle tierexperimentellen Untersuchungen zur Frakturheilung. Am Rattenhinterbein werden zunehmend Studien zur Frakturheilung durchgeführt, ohne die biomechanischen Bedingungen zu kennen. Ziel des geplanten Forschungsprojekts ist es daher, die interfragmentäre Bewe-gung als die wichtige Kenngröße für die biomechanische Stabilität zu bestimmen. Um die unbekannte muskuloskelettale Belastung am Rattenbein zu berechnen, soll für ein vorhandenes invers-dynamisches Programm ein Modell des Rattenhinterbeins entwickelt werden. Dazu können bereits ermittelte digitale Daten der Rattenanatomie verwendet werden. Der dreidimensionale Gang der Ratte soll röntgen-kinematographisch zusammen mit den Bodenkontaktreaktionen vermessen werden. Ein verbesserter Optimierungsalgorithmus soll die Muskelkräfte auch bei antagonistischer Muskelaktivität berechnen können. Die ermittelten Lasten sollen dann verschiedenen Finite-Elemente-Modellen zum Knochen-Implantat-Verbund am Rattenbein aufgeprägt werden, um so die initialen interfragmentären Bewegungen und Gewebedehnungen zu berechnen. Mit der geplanten Methode wird es möglich sein, die biomechanischen Bedingungen der Frakturheilung für verschiedene Frakturen und Osteosyntheseverfahren am Rattenbein genau zu charakterisieren und dadurch gezielter durchführen und in ihrem Umfang vermindern zu können.


Kooperation: Institut für Unfallchirurgische Forschung und Biomechanik und Institut für Numerische Mathematik


Kontakt: Dr.-Ing. Ulrich Simon


P43: Schwingungsanalyse eines Rüttleranschlusses für Liebherr

Die Firma Liebherr-Mischtechnik GmbH stellt u.a. Schüttgutsilos für Betonrohstoffe her. An den Auslauftrichtern dieser Silos werden in der Regel Unwucht-Schwingungserreger angebracht, deren Vibrationen einen stetigen Schüttgut-Ausfluss gewährleisten. Vereinzelt treten Betriebsfestigkeitsprobleme auf. Es bilden sich Risse im Blech des Trichters in der Nähe des aufgeschweißten Anschlussflansches des Schwingungserregers. Als Ursache wird eine zu lang anhaltende Schwingungserregung bei bereits leergelaufenem Silo vermutet. Ziel des Projekts war es, die Ursache der Rissbildung zu untersuchen. Dazu wurden mit Hilfe eines Finite-Elemente-Modells vom betroffenen Auslauftrichter-Blech Schwingungs- und Spannungsanalysen durchgeführt. Das Modell führt zu dynamischen Spannungskonzentrationen, die sehr gut mit den Schadensfällen übereinstimmen.


Kooperation: Liebherr-Mischtechnik, Bad Schussenried


Kontakt: Dr.-Ing. Ulrich Simon


P40: Gewichtsoptimierung eines Zinkenträgers für Wiedenmann

Die Firma Wiedenmann produziert Rasenpflegemaschinen, die u.a. auf den Golfplätzen dieser Welt eingesetzt werden. Die Bearbeitungsgeschwindigkeit dieser Maschinen soll stetig gesteigert werden. Dabei entstehen an einigen Bauteilen relativ hohe Beschleunigungen und in der Folge können störende Schwingungen und Fehlfunktionen auftreten. Abhilfe soll Reduktion der Bauteilmasse bei immer noch ausreichender Festigkeit erfolgen. An einem der am stärksten beschleunigten Bauteile der Maschine, dem Zinkenträger, wurde daher eine Topologieoptimierung durchgeführt.


Kooperation: Wiedenmann GmbH, Rammingen


Kontakt: Dr.-Ing. Ulrich Simon


Spannungsverteilung im Wiedenmann-Zinkenträger

P38: Räumliche Struktur- und Kostenanalyse von Telekommunikationsnetzwerken

Die räumliche Struktur von Telekommunikationsnetzen besitzt einen großen Einfluss auf die Übertragungskapazitäten und die Betriebskosten. Das Ziel dieses Forschungsprojekts ist die Entwicklung stochastischer Modelle für die räumliche Struktur- und Kostenanalyse dieser Netze.
Industrieprojekt im Institut für Stochastik in Zusammenarbeit mit France Telecom Paris.


Mehr Information: Räumliche Struktur- und Kostenanalyse von Telekommunikationsnetzwerken


Kontakt: Prof. Dr. Volker Schmidt


P37: Stochastische Modellierung von Zugbahnen tropischer Wirbelstürme

Entwicklung stochastischer Modelle für tropische Wirbelstürme mit denen Zugbahnen und Windgeschwindigkeiten beschrieben werden können. Industrieprojekt im Institut für Stochastik in Zusammenarbeit mit der Münchener Rückversicherungs-Gesellschaft AG.


Mehr Information: Stochastische Modellierung von Zugbahnen tropischer Wirbelstürme


Kontakt: Prof. Dr. Volker Schmidt


P36: SFB518, Entzündung, Regeneration und Transformation im Pankreas

In diesem Projekt werden neue Methoden der Elektronenmikroskopie und der modellbasierten statistischen Bildanalyse dazu genutzt, die Morphologie des Keratin-Zytoskeletts in Pankreaskrebszellen mit einer Auflösung von wenigen Nanometern zu analysieren. Projekt im SFB 518 der DFG, Institut für Stochastik in Zusammenarbeit mit der Elektronenmikroskopie der Universität Ulm.


Mehr Information: Entzündung, Regeneration und Transformation im Pankreas


Kontakt: Prof. Dr. Volker Schmidt


P35: Risikomodellierung in der Sachversicherung

Entwicklung neuer mathematischer Ansätze zur räumlichen Risikoanalyse und Risikomodellierung von Naturkatastrophenschäden in der Sachversicherung. Projekt am Institut für Stochastik, Zusammenarbeit mit Generali Wien AG.


Mehr Information: Räumliche Risikoanalyse und Risikomodellierung in der Sachversicherung


Kontakt: Prof. Dr. Evgeny Spodarev


P34: Klassifikation von Graustufenbildern

Mit Hilfe statistischer Methoden können Graustufenbilder klassifiziert werden. Diese Methoden sollen u.a. für die Krebsdiagnostik eingesetzt werden. Projekt am Institut für Stochastik in Zusammenarbeit mit dem Institut für Pathologie.


Mehr Information: Klassifikation von Graustufenbildern


Kontakt: Prof. Dr. Evgeny Spodarev


P33: Strukturmodelle der Gasdiffusionslage (GDL) von Brennstoffzellen

Zum besseren Verständnis der physikalischen Prozesse innerhalb der GDL und für die Optimierung ihres Designs werden mit Hilfe der stochastischen Geometrie strukturelle Modelle der GDL erstellt. BMBF-Projekt, Institut für Stochastik in Zusammenarbeit mit dem ZSW, Ulm und anderen Partnern.


Mehr Information: Strukturmodelle der Gasdiffusionslage (GDL) von Brennstoffzellen


Kontakt: Prof. Dr. Volker Schmidt und Prof. Dr. Evgeny Spodarev


P32: Prognose von Verkehrszuständen

Mit Hilfe statistischer Methoden konnten Verkehrszustände in Metropolen vorhergesagt werden. Projekt am Institut für Stochastik in Zusammenarbeit mit der DLR Berlin, abgeschlossen.


Mehr Information: Prognose von Verkehrszuständen


Kontakt: Prof. Dr. Volker Schmidt und Prof. Dr. Evgeny Spodarev


P30, 50: Analyse von Kreischgeräuschen an Metallbandsägen für MEBA

An einem Bandsägetyp der Fa. MEBA traten beim Sägen regelmäßig unerwünschte Kreischgeräusche auf. Als Ursache wurden selbsterregte Bandsägeschwingungen vermutet. Durch „Schwingungsmessungen vor Ort“ konnten die typischen Frequenzen, Amplituden und Schwingungsformen ermittelt werden. Durch geschickte Kombination mit einer numerischen Modalanalyse des Sägebandtrums konnte die für das Kreischen wahrscheinlichste Schwingungsform ermittelt werden. Mit Hilfe dieser Erkenntnisse gelang es MEBA einen Prototypen ohne Kreischgeräusche zu entwickeln.  


Kooperation: MEBA GmbH, Westerheim


Kontakt: Dr.-Ing. Ulrich Simon


  

Schwingungsmessung an einer MEBA-Bandsäge

P29: Simulation der Nasenströmung

Hier soll die Frage beantwortet werden, ob die subjektive Erleichterung der Atmung bei der Einnahme von Menthol durch eine objektive Reduktion des Strömungswiderstands in der Nase erklärbar ist. Finite-Volumen-Modelle (Ansys CFX)werden zu diesem Zweck aus klinischen Kernspinndaten entwickelt und analysiert.

Diplomarbeit von Barbara Doll


Kooperation: Radiologie des Universitätsklinikums Ulm, Dr. Wunderlich


Kontakt: Dr.-Ing. Ulrich Simon


P26: LISA, Lithium-Ionenbatterien für solare Anwendungen

Mit Multiskalen Methoden sollen die Prozesse in einer kompletten Lithium-Ionenzelle modelliert werden. Ziel ist es, ein besseres Verständnis der Struktur-Wirkungs-Beziehungen der Einzelkomponenten und vor allem der Wechselwirkungen zwischen Festelektrolyt und Elektrodenmaterialien zu erlangen. Man hofft, so neuer Materialien (Insertionsverbindungen und Festelektrolyte) für den Einsatz in Lithium-Ionenbatterien erschließen zu können.

  • Entwicklung eines rigorosen mathematischen Modells für Dünnschichtbatterien auf Basis von Lithiumtechnologie, numerische Analyse und Simulation, experimentelle Verifikation.
  • Entwicklung eines Multiskalen-Ansatzes, effizente Umsetzung(Rechenzeit und Speicherplatz).
  • Unterstützung der experimentellen Materialentwicklung, Ermöglichung eines konzeptionellen Verständnisses der Materialien und quantitative Analyse dieser.

Kooperation: ZSW, Ulm und anderen Partnern.


Kontakt: Prof. Dr. Stefan Funken


 

 

P23: Schiffskollision (Kramer & Albrecht)

Aus gemessenen Beschleunigungsdaten wurde die Bewegung eines Schiffes berechnet, das in einem Naturversuch auf eine Kiesböschung aufgelaufen war. 


Auftrag: Ingenieurbüro Prof. Dr.-Ing. Kramer und Dipl.-Ing. Albrecht, Hamburg
Kontakt: Dr.-Ing. Ulrich Simon

P22: Optimierung von Schwingungstilgern für Kramer & Albrecht

Entwicklung eines Programms zur Minimierung der Masse von Schwingungstilgern, wie sie zur Reduktion störender Gebäudeschwingungen (Hochhäuser, Brücken) eingesetzt werden.


Kooperation: Ingenieurbüro Prof. Dr.-Ing. Kramer und Dipl.-Ing. Albrecht, Hamburg
Kontakt: Prof. Dr. Karsten Urban, Dr.-Ing. Ulrich Simon

P21: Identifikation der Frakturkallus-Steifigkeitsverteilung

Automatische Identifikation der Material-Steifigkeitsverteilung aus gemessenen Verschiebungsfeldern von Knochenproben.


Kooperation: Institut für Unfallchirurgische Forschung und Biomechanik
Kontakt: Dr.-Ing. Ulrich Simon

P16: Optimierung des Bootsrumpfes beim VS-Propeller

Die Gestalt des Bootsrumpfes bei Verwendung eines Voith-Schneider-Propellers soll hinsichtlich des Wirkungsgrades optimiert werde


Kooperation: Voith Turbo Marine, Heidenheim
Kontakt: Prof. Dr. Karsten Urban, Dipl.-Math. Michael Hopfensitz, Dipl.-Math. oec. Juan Matutat


P14: Simulation von Schweinestall-Belüftungen für HAKA

Schweine brauchen viel frische Luft, sollen sich aber nicht erkälten. Strömung und Temperaturverteilung in einem Schweinestall mit moderner Belüftung sollen simuliert werden, um so die Bedingungen für die Tiere im gesamten Stall noch weiter verbessern zu können.

Die wissenschaftliche Herausforderung war durch den Multiskalencharakter des Problems gegeben. Einerseits sollte der Einfluss sehr kleiner räumlicher Strukturen (Formen der Düsen in den Diffusorplatten) berücksichtigt werden, andererseits sollte ein ganzes Stallsegment (180 m²) modelliert werden. Dies gelang durch eine hierarchische Kopplung verschieden feiner Strömungsmodelle. Darüberhinaus musste auch die Wärmeleistung der Tiere berücksichtigt werden. Das Strömungsmodell zeigt gute Übereinstimmungen zu gemessenen Strömungen in einem realen Stall. Am Modell konnten durch geringe Modifikationen unerwünschte Wirbel vermindert werden, eine Erkenntnis, die nun in die Anlagenplanung einfließen wird.


Kooperation: HAKA, Erbach-Dellmensingen
Kontakt: Dr.-Ing. Ulrich Simon

P13: OneButtonFE zur Beurteilung klinischer Bilddaten

Entwicklung eines Programms zur schnellen, vollautomatischen (also robusten) Steifigkeitsanalyse von Frakturen aus klinischen Bilddaten (CT, MRT) mit Finiten (Voxel-)Elemente.

 

Update (April 2010):

Das Programm wurde mittlerweile von Markus Helmer (Physikstudent) als Diplomarbeit in Kooperation mit Prof.- Marti (Experimentelle Physik) weiterentwickelt und steht kurz vor der Veröffentlichung.  Es trägt nun den Namen FEA4DICOM (siehe Bild).


Kontakt: Dr.-Ing. Ulrich Simon

Programm FEA4DICOM.

P12: Wavelets in der Optik

Die Carl Zeiss AG ist einer der führenden Hersteller optischer Systeme, wie Film- und Fotoobjektive, Ferngläsern oder Lithographieoptiken.

Im Projekt sollen optische Grenzflächen durch Wavelets beschrieben werden. Anschliessend wird diese Flächenbeschreibung im Raytracing genutzt, um die Güte des Systems zu bewerten. Eine Optimierung der Bildfehler und die Analyse realer Oberflächen mit Wavelets stehen ebenfalls im Fokus. Ausserdem kommen Wavelets in der Bildverarbeitung zum Einsatz.


Kooperation: Carl Zeiss AG, Oberkochen


Kontakt: Prof. Dr. Urban Urban, Dipl.-Math. Philipp Jester


P11: Wassertransport in Brennstoffzellen

Moderne Brennstoffzellen (Polymer-Elektrolyt-Membran-(PEM-)Brennstoffzelle) besitzen auf der kathodischen Seite eine so genannte Gasdiffusionslage (GDL, gas diffusion layer). In dieser porösen Schicht wird aus dem eingeströmten Sauerstoff und den (Wasserstoff-)Protonen, die von der anodischen Seite her durch die trennende Membran wandern, Wasser gebildet. Das Wasser muss aus dieser Schicht abtransportiert werden, damit die Poren für den Gastransport offen bleiben. Wird dagegen das GDL und damit auch die Membran zu trocken, so verliert die Membran ihre Leitfähigkeit für die Protonen. Der Wassergehalt der GDL ist also ein kritischer Parameter für die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzellen. In diesem Projekt sollen die elektrochemischen, physikalischen und strömungsmechanischen Prozesse in der GDL numerisch modelliert werden um den Wassertransport in der GDL zu optimieren und die Leistungsdichte der GDL zu verbessern.


Förderung: Pakistanisch-deutsches Ph.D.-Stipendium (HEC/DAAD Fellowship Program „90% Overseas Scholarship, Phase 1, Batch 4“) an Faraz Toor


Kooperation: dem ZSW, Ulm


Kontakt: Prof. Dr. Karesten Urban und M.Sc. Faraz Toor


P10: BridgeDetector und XRaySimulator (Tools zur Frakturheilungssimulation)

Entwicklung und Programmierung von Algorithmen zur klinisch relevanten Auswertung zeitabhängiger, dreidimensionaler Daten simulierter Frakturheilungsprozesse. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde die bestehende Frakturheilungssimulation um zwei weitere Aspekte erweitert:

Automatisierte Überbrückungsdetektion (BridgeDetector)

Eines der Ziele der Heilungssimulation ist es, Frakturen durch optimale Wahl der Designparameter der Fraktur-Fixation bestmöglich versorgen zu können und eine schnellstmögliche Heilung zu erreichen. Um eine solche Parameteroptimierung durchführen zu können, ist es notwendig, ein eindeutiges Abbruch-Kriterium für die Simulation zu finden, also zu definieren, wann eine Fraktur als geheilt gilt. Dieser Zeitpunkt muß automatisch erkannt und die ermittelte Heilungsdauer als skalarer Wert zurückgegeben werden, so dass man im Folgenden numerische Verfahren anwenden kann, um die Fixateur-Parameter zu optimieren. 

Volumenvisualisierung (XRaySimulator): 

Um die Überprüfbarkeit des Modells zu verbessern, wurde ein Programm implementiert, das aus den Ergebnissen eines Simulationslaufs Röntgen- oder CT-ähnliche Bilder erzeugt. Die so synthetisierten „Röntgenaufnahmen“ können mit tierexperimentell gewonnenen Daten verglichen werden, was die visuelle Überprüfung der Gültigkeit des Modells erleichtert.


Kooperation: Institut für Unfallchirurgische Forschung und Biomechanik (Prof. Lutz Claes)


Diplomarbeit: von Frank Niemeyer mit dem Institut für Medieninformatik (Prof. Alexander Keller)


Download: Diplomarbeit (PDF)


Kontakt: Dipl.-Inf. Frank Niemeyer


 

Vergleich eines echten (links) mit den "simulierten" Röntgenbildern (rechts) eines Frakturkallus.

P09: Optimierung der Papierherstellung

Mit Hilfe moderner numerischer Methoden (Sensitivitätsanalyse, Optimalsteuerung) soll die Energieeffizienz modernen Papiermaschinen gesteigert werden.


Kooperation: Voith Paper, Heidenheim
Kontakt: Prof. Dr. Karsten Urban, Dr. Guntram Seitz

P08: Landesforschungsschwerpunkt: Simulationsbasierte Optimierung von Fraktur-Fixateuren

Es ist uns mit diesem Projekt gelungen die Grundlagen für eine numerische Optimierung zur Frakturheilungssimulation zu erarbeiten. Wir konnten ein vorhandenes Frakturheilungsmodell so erweitern und beschleunigen, dass klinisch relevante Fälle simuliert werden können. So ist es nun möglich patientenspezifisch die Frakturgeometrie, die muskulo-skelettale Belastung sowie die Fixationssteifigkeit zu modellieren, dann die Heilung zu simulieren und in klinisch relevanter Weise zu visualisieren. Die Simulation konnte in ein numerisches Optimierungsverfahren integriert werden. Das Verfahren approximiert das komplexe, nicht-glatte Funktional „Heilungszeit-über-Designvariable“ durch Splines, um dann dessen Minimum zu bestimmen. Zur Überprüfung der Methode haben wir als Designvariable die Steifigkeit der Frakturfixation gewählt und für einen experimentellen Fall bestimmt, bei dem gerade diese variiert worden war und somit die Lage des Optimum validiert werden konnte. Für die Heilung von Frakturen an der Schafstibia wurde die optimale Steifigkeit des Fixateurs zu 2000 N/mm ermittelt. Dieser Wert konnte durch die Ergebnissen des Experiments sehr gut bestätigt werden.

Die Methode soll nun dazu Verwendet werden, optimale Steifigkeitseigenschaften auch für klinische Fälle zu berechnen. Darüberhinaus erlaubt die Methode aber auch, die Optimierung zeitlich veränderlicher auch nichtlinearer 3D Steifigkeitseigenschaften von Fixationen oder auch die Optimierung des klinischen Belastungsprotokolls des Patienten durchzuführen.


Landesforschungsschwerpunkt-Förderung Baden-Württemberg


Kontakt: Dr.-Ing. Ulrich Simon


P07: Optimierung des Voith-Schneider-Propellers (VSP)

Der Voith-Schneider-Propeller ist ein spezieller Schiffsantrieb, bei dem sich ein großer horizontaler Antriebsteller am Boden des Schiffsrumpfes dreht. Auf dem Umfang des Antriebstellers sind z.B. fünf Flügel angebracht, die vertikal nach unten zeigen und mit dem Teller umlaufen. Die Flügel können um ihre Längsachse gegenüber dem Teller verdreht werden. Eine Flügelwinkelsteuerung sorgt nun für eine periodische Verdrehung der Flügel derart, dass ein resultierender Schub von einstellbarer Größe in jede beliebige Richtung erzeugt werden kann. Der Antrieb wird meist paarweise, insbesondere bei Schiffen eingesetzt, die eine große Manövrierfähigkeit brauchen (Schlepper, Fähren, Minenräumer).

Durch numerische Simulation der komplexen Strömung um die Flügel herum und Optimierung der Flügelwinkelkurve konnte eine Steigerung des Wirkungsgrads um mehr als 4% erzielt werden.

 

 


Kooperation: Voith Turbo Marine, Heidenheim


Mehr Information: Optimierung des Voith-Schneider-Propellers


Kontakt: Prof. Dr. Karsten Urban


P06: Deichselbeanspruchungen bei einachsigen LKW-Anhängern (Kässbohrer)

Berechnung von Deichselbeanspruchungen bei einachsigen LKW-Anhängern. Mit Hilfe von dynamischen Fahrzeugmodellen wurde die Beanspruchung der Deichsel von einachsigen Schwerlastanhängern bei unebener Fahrbahn berechnet.


Kooperation: Kässbohrer, Ulm
Kontakt: Prof. Dr. Karsten Urban, Dr.-Ing. Ulrich Simon

P05: Computergrafiken mit Quasi-Monte-Carlo-Verfahren

Generieren von photorealistischen Computergrafiken.


Kooperation: Mental Images, Berlin
Kontakt: Dr. Alexander Keller, Mental Images, Berlin

P01: FLENS, Numerische Bibliothek

Entwicklung eines extrem effizienten Interfaces in C++ für BLAS und LAPACK

Object-oriented programming languages like C++ exhibit features that can ease the development, maintainability, extensibility and usability of complex software packages. However, most libraries in the field of high performance computing are still implemented in non-object-oriented languages like Fortran or C. This is mainly due to the fact that runtime overhead resulting from abstraction is sometimes hard to avoid.

This work addresses how the C++ programming language can be extended through libraries to enhance and simplify the development of scientific software. Efforts made in this respect resulted in the design and implementation of the C++ library

see FLENS (Flexible Library for Efficient Numerical Solutions)

Dr. Michael Lehn