University, Diss., 2005--Heidelberg.

Untersucht wird der Auswirkung von Anisotropie auf den unordnungsinduzierten Metall-Isolator-Übergang (MIÜ) im Rahmen des dreidimensionalen Anderson-Modells der Lokalisierung für (schwach) gekoppelte Ebenen bzw. Ketten. Mittels numerischer Verfahren (Lanczos- und Transfer-Matrix-Methode) werden Eigenwerte und -vektoren bzw. die Lokalisierungslänge berechnet. Zur Bestimmung des kritischen Exponenten dieses Phasenüberganges 2. Ordnung wird ein allgemeiner Skalenansatz verwendet, der auch den Einfluss einer irrelevanten Skalenvariablen und Nichtlinearitäten berücksichtigt. Ein Kapitel untersucht die verwendeten numerischen Verfahren, verschiedene Methoden werden verglichen und die Portierbarkeit zu Parallelrechnern diskutiert. Der MIÜ wird mit zwei unabhängigen Methoden charakterisiert: Eigenwertstatistik und Transfer-Matrix-Methode. Die Systemgrößenunabhängigkeit der betrachteten Größen am Phasenübergang wird benutzt um den MIÜ zu identifizieren. Sie resultiert aus der Multifraktalität der kritischen Eigenzustände, die für den isotropen Fall bis zu einer Systemgröße von 111^3 Gitterplätzen gezeigt wird. Es stellt sich heraus, daß der MIÜ auch bei sehr starker Anisotropie existiert und bereits bei geringerer Potentialunordnung als im isotropen Fall auftritt. Für den Fall sehr schwach gekoppelter Ebenen wird gezeigt, daß der kritische Exponent mit dem des isotropen Falles übereinstimmt und damit die übliche Einteilung in Universalitätsklassen bestätigt.

In this Doktorarbeit the Lattice Boltzmann scheme, a heuristic method for the simulation of flows in complicated boundaries, is investigated. Its theory is renewed by emphasizing the entropy maximization principle, and new means for the modelling of geometries (including moving boundaries) and the visual representation of evoluting flows are presented. An object oriented implemen- tation is given with communication between objects realized by an interpreter object and communication from outside realized via interprocess communica- tion. Within the new theoretical apprach the applicability of existing Lattice Boltzmann schemes to model thermal flows for arbitrary temperatures is reex- amined. / In dieser Doktorarbeit wird das Gitter-Boltzmann-Schema, eine heuristische Methode fuer die Simulation von Stroemungen innerhalb komplexer Raender, untersucht. Die zugrundeliegende Theorie wird unter neuen Gesichtspunkten, insbesondere dem Prinzip der Entropiemaximierung, betrachtet. Des weiteren werden neuartige Methoden fuer die Modellierung der Geometrie (einschl. beweglicher Raender) und der visuellen Darstellung aufgezeigt. Eine objektorientierte Implementierung wird vorgestellt, wobei die Kommunikation zwischen den Objekten über Interpreter-Objekte und die Kommunikation mit der Aussenwelt ueber Interprozess-Kommunikation gehandhabt wird. Mit dem neuen theoretischen Ansatz wird die Gueltigkeit bestehender Gitter-Boltzmann-Schemata fuer die Anwendung auf Stroemungen mit nicht konstanter Temperatur untersucht.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung von statistischen Eigenschaften der ungeordneten Metallen im Rahmen des Anderson-Modells der Lokalisierung. Betrachtet wird ein Elektron auf einem Gitter mit "Nächste-Nachbarn-Hüpfen" und zufälligen potentiellen Gitterplatzenergien. Wegen der Zufälligkeit zeigen die Elektroneigenschaften, zum Beispiel die Eigenenergien und -zustände, irreguläre Fluktuationen, deren Statistik von der Amplitude der Potentialenergie abhängt. Mit steigender Amplitude wird das Elektron immer mehr lokalisiert, was schliesslich zum Metall-Isolator-Übergang führt. In dieser Arbeit wird die Statistik insbesondere im metallischen Bereich untersucht, und dadurch der Einfluss der Lokalisierung an den Eigenschaften des Systems betrachtet. Zuerst wird die Statistik der Matrixelemente des Dipoloperators untersucht. Die numerischen Ergebnisse für das Anderson-Modell werden mit Vorhersagen der semiklassischen Näherung verglichen. Dann wird der spektrale Strukturfaktor betrachtet, der als Fourier-Transformation der zwei-Punkt Zustandsdichtekorrelationsfunktion definiert wird. Dabei werden besonders die nichtuniversellen Abweichungen von den Vorhersagen der Zufallsmatrixtheorie untersucht. Die Abweichungen werden numerisch ermittelt, und danach mit den analytischen Vorhersagen verglichen. Die Statistik der Wellenfunktionen zeigt ebenfalls Abweichungen von der Zufallsmatrixtheorie. Die Abweichungen sind am größten für Statistik der großen Wellenfunktionsamplituden, die sogenannte seltene Ereignisse darstellen. Die analytischen Vorhersagen für diese Statistik sind teilweise widersprüchlich, und deshalb ist es interessant, sie auch numerisch zu untersuchen.

Die im Rahmen des Sonderforschungsbereiches SFB 920 entstandene Arbeit beschäftigt sich mit bruchmechanischen Vorgängen und der makroskopischen Beschreibung von offenzelligen Keramikschäumen unter Berücksichtigung des Materialverhaltens des Kompaktmaterials mithilfe von numerischen Simulationen. Dabei steht die thermomechanische Belastung einer solchen Struktur während eines Gießprozesses im Vordergrund. Im Rahmen der bruchmechanischen Untersuchungen konnte der Einfluss von verschiedenen Strukturparametern aufgezeigt werden. Die Belastungen entlang der scharfen Kerben im Inneren der Stege ergaben sich dabei als weniger kritisch als entlang der Stegaußenseiten. Das Kriechverhalten des kohlenstoffgebundenen Aluminiumoxides bei Hochtemperatur konnte erfolgreich beschrieben und für Schaumstrukturen angewendet werden. Das vorgeschlagene Modell kann dabei sowohl für virtuell erzeugte Schaumstrukturen als auch für reale Schaumproben angepasst werden. Mithilfe von homogenisierten Materialmodellen basierend auf neuronalen Netzen ergab sich eine drastische Reduzierung der Rechenzeit für komplexe Filterstrukturen. Es ist dabei eine Berücksichtigung von Plastizität und Schädigung für das Kompaktmaterial möglich. / This thesis developed within the collaborative research centre SFB 920 deals with fracture mechanical analyses and the macroscopic description of open-cell ceramic foams considering the material behaviour of the bulk material by means of numerical simulations. In the centre of interest is the thermomechanical loading of such a structure during a casting process. Within the framework of fracture mechanical investigations, the influence of various structural parameters is demonstrated. The loads along the sharp notches inside the struts turned out to be less critical than along the outer surfaces of the struts. The creep behaviour of the carbon-bonded alumina at high temperature were successfully described and the mathematical description is applied to foam structures. The proposed model can be adapted for virtually generated foam structures as well as for real foam samples. Using homogenized material models based on neuronal networks, a drastic reduction of the computing time for complex filter structures was achieved. Meanwhile, it is possible to consider plasticity and damage effects for the bulk material.

This thesis deals with the optimal control of PDEs. After a brief introduction in the theory of elliptic and parabolic PDEs, we introduce a software that solves systems of PDEs by the finite elements method. In the second chapter we derive optimality conditions in terms of function spaces, i.e. a systems of PDEs coupled by some pointwise relations. Now we present algorithms to solve the optimality systems numerically and present some numerical test cases. A further chapter deals with the so called lack of adjointness, an issue of gradient methods applied on parabolic optimal control problems. However, since optimal control problems lead to large numerical schemes, model reduction becomes popular. We analyze the proper orthogonal decomposition method and apply it to our model problems. Finally, we apply all considered techniques to a real world problem.:Introduction The state equation Optimal control and optimality conditions Algorithms The \"lack of adjointness\" Numerical examples Efficient solution of PDEs and KKT- systems A real world application Functional analytical basics Codes of the examples

The presented work documents the influence of Voronoi block size and shape as well as internal mesh size on the calibrated fracture toughness KIC. It is documented that Voronoi based procedures have an inevitable error of up to ± 30%. On the other hand, this approach is able to reproduce complex fracture pattern in a realistic manner with reasonable computational power. The work propose a KIC calibration procedure and documents based on the comparison with lab tests, that crack propagation, fracture pattern as well as stress-strain behavior of brittle solids can be duplicated by calibrated Voronoi based DEM simulations. The thesis also documents a swelling law for the DEM code UDEC including parameter determination and validation on lab tests with swelling cement. Finally, calibrated concrete models with one or two holes under different boundary conditions are used to predict swelling induced cracking. Numerical predictions were compared with corresponding lab tests and showed satisfying results.

This study presents numerical modeling of geologic processes based on Discrete Element Method (DEM), including modeling of pull-apart basin development based on Particle Flow Code (PFC) and simulation of deformation and earthquake potential of Ordos Block (China) under present tectonic stress regime based on Universal Distinct Element Code (UDEC). A scale-independent modeling approach based on PFC2D has been established to simulate the development of pull-apart basins. The micro-scale PFC models are used to investigate crack propagation and basin development in releasing sidestep systems with pure strike-slip, transtensional, and transpressional master faults, respectively. In each system, three typical models including 30° underlapping, 90° non-overlapping, and 150° overlapping releasing sidesteps are chosen. The modeling results are compared with pull-apart basins in nature. The geometric differences of pull-apart basins result from both the initial strike-slip fault geometries and its various evolution stages. Rhomboidal basins which have larger basin length than the amount of motion form in overlapping systems and do not progress through the spindle-shaped and lazy-Z-shaped stages such as the Dead Sea basin. Rhomboidal basins with cross-basin faults tend to form in underlapping systems. Finally, the origin of rhomboidal pull-apart basins, depocenters of pull-apart basins, cross-basin faults and their significances, models for pull-apart basin development, and minimum displacements and ages to form pull-apart basins are discussed. A two-dimensional UDEC model involving Ordos Block and adjacent areas is set up. Boundary conditions based on present tectonic regime are assumed. Block rotations, shear stress and displacement on faults, ratio of shear to normal force are simulated. Slip tendency which represents the assessment of the potential for causing slip on individual faults and earthquake-prone of the faults is predicted. Modeling results are compared with geologic evidences.

In der vorliegenden Arbeit wurden bruch- und schädigungsmechanische Eigenschaften keramischer Filterwerkstoffe, welche im Rahmen des SFB 920 entwickelt und erforscht werden, bestimmt. Es wurden zwei verschiedene Werkstoffsysteme - Aluminiumoxid und kohlenstoffgebundenes Alumniumoxid - mit entwickelten Miniaturprüfmethoden bei Prüftemperaturen bis 1500°C untersucht. Mit Hilfe des Ball-On-Three-Balls-Tests (B3B) wurde die biaxiale Festigkeit in Abhängigkeit der Prüftemperatur bestimmt. Für die kohlenstoffgebundenen Proben wurde weiterhin der Einfluss der Verkokungstemperatur als auch des Kohlenstoffgehalts auf die Festigkeit untersucht. Es konnte ein Festigkeitsmaximum ermittelt werden, wenn die Prüftemperatur der Verkokungstemperatur entspricht. Die schädigungsmechanischen Materialparameter des duktilen Verformungs- und Versagensverhalten beider Werkstoffe bei 1500°C wurden mit Hilfe von numerischen Simulationen des B3B identifiziert. Die Bestimmung der bruchmechanischen Kennwerte erfolgte mit einem Vier-Punkt-Biegeversuchsaufbaus mit Chevron-gekerbten Proben (CNB-Versuch). Numerische Untersuchungen dienten zur Bestätigung der Versuchsergebnisse und Bestimmung der Form der Rissfront sowie Risswachstum während des Versuches. / In the present work, fracture and damage mechanical properties of ceramic filter materials, which are developed and investigated within the framework of the CRC 920, are determined. Two different material systems - alumina and carbon-bonded alumina - are investigated using miniaturized test methods at temperatures up to 1500°C. The biaxial strength at different temperatures is determined using the Ball-On-Three-Balls-Test (B3B). The strength of carbon-bonded specimens is dependent on the coking temperature and the carbon content. A maximum strength can be obtained if the testing temperature equals the coking temperature. The damage-mechanical material parameters in order to describe the ductile deformation and failure behaviour of both materials at 1500°C are identified with the help of numerical simulations. The determination of fracture-mechanical properties are carried out with a four-point bending test setup with chevron-notched specimens (CNB). Numerical investigations are used to validate the test results and to simulate the shape of the crack front and crack growth during the experiment.

This thesis is on the numerical computation of eigenvalues of symmetric hierarchical matrices. The numerical algorithms used for this computation are derivations of the LR Cholesky algorithm, the preconditioned inverse iteration, and a bisection method based on LDLT factorizations. The investigation of QR decompositions for H-matrices leads to a new QR decomposition. It has some properties that are superior to the existing ones, which is shown by experiments using the HQR decompositions to build a QR (eigenvalue) algorithm for H-matrices does not progress to a more efficient algorithm than the LR Cholesky algorithm. The implementation of the LR Cholesky algorithm for hierarchical matrices together with deflation and shift strategies yields an algorithm that require O(n) iterations to find all eigenvalues. Unfortunately, the local ranks of the iterates show a strong growth in the first steps. These H-fill-ins makes the computation expensive, so that O(n³) flops and O(n²) storage are required. Theorem 4.3.1 explains this behavior and shows that the LR Cholesky algorithm is efficient for the simple structured Hl-matrices. There is an exact LDLT factorization for Hl-matrices and an approximate LDLT factorization for H-matrices in linear-polylogarithmic complexity. This factorizations can be used to compute the inertia of an H-matrix. With the knowledge of the inertia for arbitrary shifts, one can compute an eigenvalue by bisectioning. The slicing the spectrum algorithm can compute all eigenvalues of an Hl-matrix in linear-polylogarithmic complexity. A single eigenvalue can be computed in O(k²n log^4 n). Since the LDLT factorization for general H-matrices is only approximative, the accuracy of the LDLT slicing algorithm is limited. The local ranks of the LDLT factorization for indefinite matrices are generally unknown, so that there is no statement on the complexity of the algorithm besides the numerical results in Table 5.7. The preconditioned inverse iteration computes the smallest eigenvalue and the corresponding eigenvector. This method is efficient, since the number of iterations is independent of the matrix dimension. If other eigenvalues than the smallest are searched, then preconditioned inverse iteration can not be simply applied to the shifted matrix, since positive definiteness is necessary. The squared and shifted matrix (M-mu I)² is positive definite. Inner eigenvalues can be computed by the combination of folded spectrum method and PINVIT. Numerical experiments show that the approximate inversion of (M-mu I)² is more expensive than the approximate inversion of M, so that the computation of the inner eigenvalues is more expensive. We compare the different eigenvalue algorithms. The preconditioned inverse iteration for hierarchical matrices is better than the LDLT slicing algorithm for the computation of the smallest eigenvalues, especially if the inverse is already available. The computation of inner eigenvalues with the folded spectrum method and preconditioned inverse iteration is more expensive. The LDLT slicing algorithm is competitive to H-PINVIT for the computation of inner eigenvalues. In the case of large, sparse matrices, specially tailored algorithms for sparse matrices, like the MATLAB function eigs, are more efficient. If one wants to compute all eigenvalues, then the LDLT slicing algorithm seems to be better than the LR Cholesky algorithm. If the matrix is small enough to be handled in dense arithmetic (and is not an Hl(1)-matrix), then dense eigensolvers, like the LAPACK function dsyev, are superior. The H-PINVIT and the LDLT slicing algorithm require only an almost linear amount of storage. They can handle larger matrices than eigenvalue algorithms for dense matrices. For Hl-matrices of local rank 1, the LDLT slicing algorithm and the LR Cholesky algorithm need almost the same time for the computation of all eigenvalues. For large matrices, both algorithms are faster than the dense LAPACK function dsyev.