In der Dissertation werden Aufgaben der Zwei-Ebenen-Optimierung mit diskreter unterer und stetiger oberer Ebene betrachtet. Es werden die Struktur dieser Aufgaben analysiert und Optimalitätsbedingungen angegeben. Dies erfolgt sowohl für den optimistischen und den pessimistischen Lösungszugang als auch für einen Lösungszugang mittels Auswahlfunktionen. Anschließend werden die theoretischen Ergebnisse auf drei verschiedene Aufgabenklassen angewendet.

Wiss. Hochschule für Unternehmensführung (WHU), Diss.--Vallendar, 2002.

Techn. University, Diss., 2001--Berlin.

In der Dissertation werden Aufgaben der Zwei-Ebenen-Optimierung mit diskreter unterer und stetiger oberer Ebene betrachtet. Es werden die Struktur dieser Aufgaben analysiert und Optimalitätsbedingungen angegeben. Dies erfolgt sowohl für den optimistischen und den pessimistischen Lösungszugang als auch für einen Lösungszugang mittels Auswahlfunktionen. Anschließend werden die theoretischen Ergebnisse auf drei verschiedene Aufgabenklassen angewendet.

In der Motorenentwicklung treten Optimierungsprobleme auf, die sich nur schwer mit klassischen Methoden der Optimierung lösen lassen. Daher untersucht diese Arbeit nichtlineare Verfahren der ein- und multikriteriellen Optimierung, die unter Einhaltung nichtlinearer Nebenbedingungen mit relativ wenigen Funktionswertberechnungen in der Lage sind globale Extrema zu finden. Vorgestellt werden ein Genetischer Algorithmus und zwei Ersatzmodell-gestützte Optimierungsverfahren, die in das Optimierungsmodul der IAV EngineeringToolbox integriert wurden. Die Tauglichkeit der Algorithmen wurde an technischen Beispielen (1D-Strömungssimulation, Kettentriebsoptimierung), sowie an geeigneten Testfunktionen überprüft.

Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit liegt auf Methoden zur Lösung nichtlinearer Optimierungsprobleme mit der Anforderung, jedes globale Optimum garantiert zu finden und mit einer im Voraus festgesetzten Genauigkeit zu approximieren. Eng verbunden mit dieser deterministischen Optimierung ist die Berechnung von Schranken für den Wertebereich einer Funktion über einem gegebenen Hyperquader. Verschiedene Ansätze, z. B. auf Basis der Intervallarithmetik, werden vorgestellt und analysiert. Im Besonderen werden Methoden zur Schrankengenerierung für multivariate ganz- und gebrochenrationale Polynome mit Hilfe der Darstellung in der Basis der Bernsteinpolynome weiterentwickelt. Weiterhin werden in der Arbeit schrittweise die Bausteine eines deterministischen Optimierungsverfahrens unter Verwendung der berechneten Wertebereichsschranken beschrieben und Besonderheiten für die Optimierung polynomialer Aufgaben näher untersucht. Die Analyse und Bearbeitung einer Aufgabenstellung aus dem Entwicklungsprozess für Fahrzeuggetriebe zeigt, wie die erarbeiteten Ansätze zur Lösung nichtlinearer Optimierungsprobleme die Suche nach energieeffizienten Getrieben mit einer optimalen Struktur unterstützen kann. Kontakt zum Autor: [Nachname] [.] [Vorname] [@] gmx [.] de

Die Habilitationsschrift beschäftigt sich mit Theorie, Algorithmen und Software zur Lösung von nichtkonvexen, gemischt-ganzzahligen, nichtlinearen Optimierungsproblemen (MINLP). Sie besteht aus 14 Kapiteln, die in zwei Teile gegliedert sind. Im ersten Teil werden grundlegende Optimierungswerkzeuge beschrieben und im zweiten Teil werden Lösungsalgorithmen vorgestellt. Fast alle vorgeschlagenen Algorithmen wurden als Teil der objektorientierten C++ Bibliothek LaGO implementiert. Numerische Experimente mit verschiedenen MINLP-Problemen zeigen die Möglichkeiten und Grenzen dieser Verfahren. / This book is concerned with theory, algorithms and software for solving nonconvex mixed integer nonlinear programs. It consists of two parts. The first part describes basic optimization tools, such as block-separable reformulations, convex and Lagrangian relaxations, decomposition methods and global optimality criteria. The second part is devoted to algorithms. Starting with a short overview on existing methods, we present deformation, rounding, partitioning and Lagrangian heuristics, and a branch-cut-and-price algorithm. The algorithms are implemented as part of an object-oriented library, called LaGO. We report numerical results on several mixed integer nonlinear programs to show abilities and limits of the proposed solution methods.

In this bachelor thesis we report on our numerical investigations into the optimal design of protective multi-layer coatings subject to an external force of Hertzian form. In view of mechanical reliablity and durability of the substrate and the coating we aim to find the best composition of given materials with the least computational effort. Numerical studies are carried out using the simulation software ELASTICA being the first non-FEM approach for the computation of stress fields within multi-layer coated, elastic materials. We thereby made use of the massive parallel computer CLiC (Chemnitzer Linux Cluster) where we ran our Windows based application in a Wine Environment. The outcome of the optimization is in general very sensitive towards the input parameters(i.e., material properties) which are not always available in the desired accuracy. However, the scheme outlined in this work is shown to produce very good results and could contribute a great deal to find optimal solutions for real applications. / Diese Bachelorarbeit befasst sich mit numerischen Untersuchungen zum optimalen Design von schützenden Mehrschichtbeschichtungen, die einer externen, Hertzschen Last ausgesetzt sind. Hinsichtlich der mechanischen Zuverlässigkeit und Haltbarkeit von Substrat und Beschichtung, versuchen wir die beste Zusammensetzung von gegebenen Materialien mit möglichst geringem Rechenaufwand zu finden. Die numerischen Berechungen wurden mit der Simulationssoftware ELASTICA durchgeführt, welches das erste kommerzielle, nicht-FEM-basierte Programm zur Berechnung von Stressfeldern innerhalb mehrfach beschichteter, elastischer Materialien darstellt. Dafür benutzten wir auf dem massiven Parrallelrechner CLiC (Chemnitzer Linux Cluster) unsere Windows basierte Anwendung unter der Emulationssoftware Wine. Das Ergebnis der Optimierung hängt im allgemeinen sehr stark von der Qualität der Eingangsparameter (z.B. Materialeigenschaften) ab, welche nicht immer in der erwünschten Genauigkeit vorliegen. Es wird gezeigt, dass die in dieser Arbeit vorgestellte Vorgehensweise sehr gute Resultate liefert und für reale Anwendungen einen äusserst ressourcenschonenden Lösungsweg darstellt.

Mit steigender Komplexität heterogener, verteilter Systeme nehmen auch die Anforderungen an deren Validierung zu. In dieser Arbeit wird ein Konzept vorgestellt, mit dem eine bestimmte Klasse komplexer Systeme, so genannte Dienstbereitstellende Systeme, durch automatisiertes Testen validiert werden kann. Mit Hilfe heterogener Klienten, bspw. eingebetteter Systeme, wird die Systemfunktionalität getestet. Hierzu wird das zu testende System auf die nach außen zur Verfügung gestellten Dienste reduziert und die Nutzung dieser Dienste durch Klienten mit einer Last quantifiziert. Eine Validierung wird durch die Vorgabe zeitlich veränderlicher Lasten für jeden Dienst definiert. Diese Lasten werden zielgerichtet den verfügbaren Klienten zugeteilt und durch diese im zu testenden System erzeugt. Zur praktikablen Anwendung dieses Konzeptes ist eine Automatisierung des Validierungsprozesses notwendig. In der Arbeit wird die Architektur einer Testbench vorgestellt, die zum einen die Heterogenität der Klienten berücksichtigt und zum anderen Einflüsse durch die Dynamik der Klienten während der Laufzeit der Validierung ausgleicht. Das hierbei zu lösende algorithmische Problem der Dynamischen Testpartitionierung wird ebenso definiert, wie ein Modell zur Beschreibung aller notwendigen Parameter. Die Testpartitionierung kann mittels einer eigens entwickelten Heuristik in Polynomialzeit gelöst werden. Zur Bestimmung der Leistungsfähigkeit des entwickelten Verfahrens wird die Heuristik aufwendigen Untersuchungen unterzogen. Am Beispiel eines zu testenden Mobilfunknetzwerkes wird die beschriebene Testbench umgesetzt und Kernparameter mittels Simulation ermittelt. Das Ergebnis dieser Arbeit ist ein Konzept zur Systemvalidierung, das generisch auf jede Art von dienstbereitstellenden Systemen angewandt werden kann und damit zur Verbesserung des Entwicklungsprozesses von komplexen verteilten Systemen beiträgt.

Zweitveröffentlichung, ursprünglich veröffentlicht: Jonas Holley: Stress-Constrained Topology Optimization with Application to the Design of Electrical Machines. München: Verlag Dr. Hut, 2023, 199 Seiten, Dissertation Humboldt-Universität Berlin (2023). ISBN 978-3-8439-5378-8 / Während des Designprozesses physischer Gegenstände stellt die mechanische Stabilität in nahezu jedem Anwendungsbereich eine essentielle Anforderung dar. Stabilität kann mittels geeigneter Kriterien, die auf dem mechanischen Spannungstensor basieren, mathematisch quantifiziert werden. Dies dient dem Ziel der Vermeidung von Schädigung in jedem Punkt innerhalb des Gegenstands. Die vorliegende Arbeit behandelt die Entwicklung einer Methode zur Lösung von Designoptimierungsproblemen mit punktweisen Spannungsrestriktionen. Zunächst wird eine Regularisierung des Optimierungsproblems eingeführt, die einen zentralen Baustein für den Erfolg einer Lösungsmethode darstellt. Nach der Analyse des Problems hinsichtlich der Existenz von Lösungen wird ein Gradientenabstiegsverfahren basierend auf einer impliziten Designdarstellung und dem Konzept des topologischen Gradienten entwickelt. Da der entwickelte Ansatz eine Methode im Funktionenraum darstellt, ist die numerische Realisierung ein entscheidender Schritt in Richtung der praktischen Anwendung. Die Diskretisierung der Zustandsgleichung und der adjungierten Gleichung bildet die Basis für eine endlich-dimensionale Version des Optimierungsverfahrens. Im letzten Teil der Arbeit werden numerische Experimente durchgeführt, um die Leistungsfähigkeit des entwickelten Algorithmus zu bewerten. Zunächst wird das Problem des minimalen Volumens unter punktweisen Spannungsrestriktionen anhand der L-Balken Geometrie untersucht. Ein Schwerpunkt wird hierbei auf die Untersuchung der Regularisierung gelegt. Danach wird das multiphysikalische Design einer elektrischen Maschine adressiert. Zusätzlich zu den punktweisen Restriktionen an die mechanischen Spannungen wird die Maximierung des mittleren Drehmoments berücksichtigt, um das elektromagnetische Verhalten der Maschine zu optimieren. Der Erfolg der numerischen Tests demonstriert das Potential der entwickelten Methode in der Behandlung realistischer industrieller Problemstellungen. / In the process of designing a physical object, the mechanical stability is an essential requirement in nearly every area of application. Stability can be quantified mathematically by suitable criteria based on the stress tensor, aiming at the prevention of damage in each point within the physical object. This thesis deals with the development of a framework for the solution of optimal design problems with pointwise stress constraints. First, a regularization of the optimal design problem is introduced. This perturbation of the original problem represents a central element for the success of a solution method. After analyzing the perturbed problem with respect to the existence of solutions, a line search type gradient descent scheme is developed based on an implicit design representation via a level set function. The core of the optimization method is provided by the topological gradient, which quantifies the effect of an infinitesimal small topological perturbation of a given design on an objective functional. Since the developed approach is a method in function space, the numerical realization is a crucial step towards its practical application. The discretization of the state and adjoint equation provide the basis for developing a finite-dimensional version of the optimization scheme. In the last part of the thesis, numerical experiments are conducted in order to assess the performance of the developed algorithm. First, the stress-constrained minimum volume problem for the L-Beam geometry is addressed. An emphasis is put on examining the effect of the proposed regularization. Afterwards, the multiphysical design of an electrical machine is addressed. In addition to the pointwise constraints on the mechanical stress, the maximization of the mean torque is considered in order to improve the electromagnetic performance of the machine. The success of the numerical tests demonstrate the potential of the developed design method in dealing with real industrial problems.